基于ZigBee的智能环境污染信息采集系统

0 引 言

物联网（Internet of Things，IoT）通过万物互连的理念使我们的生活变得更加智能化。智能家居的基本理论就是通过利用各种信息采集技术收集所需信息，并通过稳定的网络进行传输，将处理后的数据结果反馈至终端进行控制。而室内信息采集的完整性和针对性就成为了整个系统的基础以及支柱。基于传统环境检测措施在实践中存在无法进行有针对性监测的缺陷，本文提出了智能家居环境监测系统，针对空气污染比较严重的城市进行信息采集，通过 ZigBee 网络将具有不同功能（温度、湿度、光照、二氧化硫浓度检测、一氧化碳浓度检测、颗粒物浓度检测等）的传感器联结在一起，借助当前比较普遍的 WiFi/4G 网络进行传输，将数据传送给中央处理器并做出响应，为身处大城市的用户，尤其为身处城市空气污染比较严重的用户提供一个安全舒适的室内环境。

1 系统结构及功能模块简介

基于物联网基本架构以及本设计的特点，将系统分为信息采集和决策控制两部分。系统结构如图 1 所示。

1.1 信息采集系统

信息采集系统包括信息采集传感器模块、ZigBee 网络、数据传输三大部分。其中，信息采集模块包括室内室外温湿度传感器模块、光照传感器模块、二氧化硫浓度检测模块、一氧化碳浓度检测模块和 PM2.5 浓度检测模块等，同时针对各地方主要空气污染物的不同还可加装不同的检测模块。ZigBee 网络包括传感器节点、协调器节点以及网关等，将各类传感器在室内外收集的数据信息打包后，通过协调器处理后发送到数据管理平台。

1.2 决策控制系统

决策控制系统包括智能手机移动平台、Web 终端及各控制模块。通过数据平台对信息采集系统收集的家居环境中的各项参数进行分析，并将判断结果发送到移动终端，由用户进行手动控制，同时各项搭载在 ZigBee 网络上的控制模块可以将控制指令及时、准确地作用到具体器件上，实现室内环境的实时监测控制。

2 系统设计

系统以 ZigBee 网络为基础，根据ZigBee 网络特点，系统硬件设计以协调器节点设计及终端节点设计为主。协调器节点设计时要考虑终端节点的通信技术和如何给管理平台传送信息，终端节点设计时需要考虑传感器对数据的采集和发送。

2.1 系统硬件设计

2.1.1 协调器节点设计

本设计主要采用 TI 公司设计生产的 CC2530 芯片。CC2530 芯片是一款集低功耗、可编程、8 kB 内存 RAM、5 通道 DMA、RF 收发器等功能于一体的性能优异的射频单片机。CC2530 用少量的外围组件即可组成强大的网络节点，其采用差分方式传输射频信号，从而减少信号散射，增强信号电平，减少噪声干扰，隔离电路板电源系统，有效保障信号在传输过程中的抗干扰能力和速率。

以基于 CC2530 的ZigBee 协调器为核心，本设计通过串口与智能网关将数据传输至数据处理中心，建立了 ZigBee 网络，负责所有数据的上行与下行，同时还可检测并维护网络的运行。

2.1.2 终端节点设计

终端节点负责连接不同类型的传感器、无线发射与接收模块、步进电机和继电器等，是一个控制中心。终端节点将向单片机发送按键信息或者由无线接收模块经解码后输出的数据，单片机分析接收的信息决定是否产生动作、步进电机是否转动等，同时，用户发送命令给终端控制器做出响应。

2.1.3 具体传感器的选择

数据接收节点是一个小型终端节点，负责将各传感器采集到的数据进行整理并发送到协调器，传感器包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化硫浓度传感器和一氧化碳浓度传感器等。

DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，且信号传输距离超过 20 m，产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，功耗低、体积小、接口简单， 在智能物联网中使用较普遍。

BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器，集成电路分辨率较大，外围电路简单，性能稳定， 适用于智能家居传感网络。

MQ-2 烟雾传感器可用于气体泄漏监测，可监测家中常见的气体包括天然气、一氧化碳等，该传感器具有功耗低、精度高、灵敏度高、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性等特点，故本设计采用 MQ-2 烟雾传感器作为一氧化碳浓度检测工具。

其他空气质量检测模块还包括二氧化硫浓度检测模块、二氧化氮浓度检测模块等，同时，针对北方城市在冬季时PM2.5 浓度较高的现象，还可以搭载 PM2.5 浓度检测模块， 使用户能够实时、全面地掌握空气质量信息。

2.2 软件设计

在智能环境信息采集过程中，由于各节点需要实现的功能不同，所以需要加以相应软件。本设计软件部分包括传感器网络设计、ZigBee 通信设计和 UI 交互界面设计。

2.2.1 传感器网络

系统初始化后，各类不同性质的传感器对室内外环境信息进行实时、连续监测，包括室内外温湿度、光照强度、一氧化碳浓度、二氧化硫浓度、PM2.5 浓度等。将各项数据监测传感器模块通过ZigBee 技术搭建成一个家庭传感器网络，实现家居环境的互联互通。

2.2.2 ZigBee通信软件设计

本设计根据智能家居在环境监测中的实际需求，ZigBee 网络特采用星型拓扑结构，只需协调器和终端节点即可。本系统的终端节点主要包括数据收集节点以及终端控制节点，负责收发命令、数据采集传输、控制输出等，同时采用电源休眠技术降低系统能耗，满足终端节点省电的需求。协调器负责整个无线传感器网络的建立、管理，协调器在完成初始化、建立网络后，等待串口命令，并将已收到的命令处理后再次发送给不同节点。

2.2.3 UI交互界面设计

管理系统基于手机安卓系统进行交互界面的开发，根据系统功能，将主要界面设置为主页、功能、参数、设置四项， 其中查看参数为本设计的主要内容。

2.3 系统运行及实测数据

通过网络构建与模块连接，将各终端连入互联网，经网络将数据传输至手机终端。例如 PM2.5模块，待安装联网后预先设定一个正常 PM2.5值，当空气中的 PM2.5浓度高于该值时，模块通电输出高电平，将信号通过网络传输到数据处理中心，如果用户设置的是自动处理模式，那么系统自动响应， 将指令信号发送回 ZigBee网络，控制窗户控制模块输出高电平，将窗户关闭，同时启动室内空气净化装置，保持室内空气清新。采用累积检测的方式，间隔时间为 5min，若 5min后浓度降低，则窗户控制模块将延迟 5 min，等待下一次检测结果，若下一次升高，则窗户保持关闭，若降低，则窗户开启， 同时关闭空气净化装置。如果设置为手动模式，则数据中心将数值传送至手机终端，浓度较高，数值显示为红色，同时对用户发出提醒，实现实时监测。环境信息参数界面如图2 所示。

图 2 环境信息参数界面

3 结 语

本文针对近年来市场上比较流行的智能家居在环境污染方面存在的不足，设计出以 ZigBee技术为基础，结合各种传感器技术、通信技术等的智能环境信息采集技术，从而为用户在应对空气污染方面提供准确可靠的数据支持。本文基于CC2530 芯片设计了 ZigBee 硬件和软件，可根据所处地方环境污染物的不同加入或撤出传感器模块，相比于传统的智能家居环境监测系统，本文设计在具体功能方面更加具有针对性，同时在手机终端设计有智能与手动两个状态，通过字体颜色的变化及文字描述和振动提醒，确保系统的实时性与可靠性，更增强了灵活性与针对性，同时也减少了不必要的投资，大大提高了系统的可信度。