程靖淇

（英國德比市雷普頓中學(xué)，英國DE65 6FH）

0 引 言

住宅環(huán)境是除了辦公環(huán)境外的一個(gè)最重要的場所［1］，據(jù)統(tǒng)計(jì)人們大約有超過90%的時(shí)間都是在室內(nèi)度過［2］。隨著室外環(huán)境的惡化，以及室內(nèi)裝修質(zhì)量良莠不齊帶來室內(nèi)污染問題越來越嚴(yán)重，給居民的身心健康帶來不利的影響。導(dǎo)致室內(nèi)污染的因素有多種，如室外污染的侵入、室內(nèi)建筑材料的散發(fā)、室內(nèi)人員的行為活動(dòng)等。室外空氣中的污染物會(huì)隨著室外通風(fēng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙滲透作用侵入室內(nèi)。住宅烹飪、吸煙等活動(dòng)又同時(shí)會(huì)成為較大的室內(nèi)污染散發(fā)源。為降低室外污染的影響，利用新風(fēng)機(jī)的過濾作用去除室外的污染物；針對室內(nèi)源，采用空氣凈化器消除室內(nèi)污染物。但對于室內(nèi)空氣品質(zhì)改善效果的檢驗(yàn)不夠，不能對住宅房間內(nèi)各個(gè)房間的空氣品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌握。因此如何讓住宅用戶能夠?qū)崟r(shí)了解住宅各個(gè)房間內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，以便于對采取的策略效果進(jìn)行評估，成為首要解決的問題。

采用無線傳輸技術(shù)布置監(jiān)控系統(tǒng)成為最佳選擇。目前廣泛使用的無線傳輸技術(shù)有藍(lán)牙（Bluetooth）、超寬帶（UWB：Ultra Wide Band）以及ZigBee等無線通信技術(shù)，這些技術(shù)在智能家居等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。從使用過程的便利性以及技術(shù)的先進(jìn)性角度來看，產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中還是存在一些缺陷。基于此，本文提出了一種將互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信自動(dòng)控制及傳感器網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)融為一體的設(shè)計(jì)方案，并將該方案用于住宅內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文提出的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)方案，其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。對于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)設(shè)備，并且每一個(gè)設(shè)備都具有一個(gè)射頻端，具有唯一的IEEE地址（64位）和網(wǎng)絡(luò)地址（16位）。目前設(shè)備主要有兩種類型：FFD（Full Function Device）和 RFD（Reduced Function Device）。方案中的協(xié)調(diào)器采用FFD承 擔(dān) 組 建 個(gè) 域 網(wǎng) 絡(luò) （Private Area Network，PAN），負(fù)責(zé)對其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)等任務(wù)；ZigBee路由器和ZigBee終端，使用FFD或RFD均可，其主要功能是采集與其連接的傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，并匯集到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過串口通信與MCU模塊建立聯(lián)系。MCU模塊與GSM模塊進(jìn)行連接，可以通過公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)地將需要的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶手機(jī)上，MCU模塊同樣與PC連接，將數(shù)據(jù)顯示在PC屏幕上，以便于用戶實(shí)時(shí)觀察測試數(shù)據(jù)的變化。

2 系統(tǒng)各模塊硬件與軟件設(shè)計(jì)

按照監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布來看，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容可以分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee／MCU和 MCU／GSM接口以及PC監(jiān)控等部分，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的組建，包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由以及協(xié)調(diào)器之間的無線通信；ZigBee／MCU和MCU／GSM接口部分主要是對協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)的處理，并實(shí)現(xiàn)手機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)的通信；PC監(jiān)控主要對監(jiān)測的對象進(jìn)行監(jiān)視，用戶可以通過PC監(jiān)控發(fā)送指令控制設(shè)備的運(yùn)行。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無 線 通 信 模 塊 采 用 射 頻 芯 片 CC2530［16］。CC2530結(jié)合目前領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強(qiáng)型8051CPU等其他強(qiáng)大的功能，并具有不同的運(yùn)行模式，使得其適應(yīng)于超低功耗要求的系統(tǒng)。搭載強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，通過編寫的數(shù)據(jù)傳輸通信程序，實(shí)現(xiàn)ZigBee終端、ZigBee路由器和協(xié)調(diào)器之間的無線通信。

2．1．1 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端及ZigBee路由器采用CC2530射頻芯片，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、一系列傳感器模塊以及電源模塊組成。為更加直觀地理解終端與傳感器之間連接關(guān)系，圖2顯示了終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)連接圖，同時(shí)展示了傳感器數(shù)據(jù)采集的類型，PM2．5傳感器以及二氧化碳傳感器與終端ZigBee通過串口數(shù)字信號進(jìn)行通信，而溫濕度傳感器通過模擬電壓信號傳輸。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

2．1．2 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

利用傳感器網(wǎng)絡(luò)將終端設(shè)備采集到的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將匯總的傳感器終端數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)組CU模塊。通信設(shè)計(jì)采用ZStack協(xié)議棧，ZStack協(xié)議棧是一個(gè)多任務(wù)輪詢的簡單操作系統(tǒng)，由于涉及的任務(wù)較多，復(fù)雜程度較高，在這里將終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器流程圖進(jìn)行了簡化，簡化后的流程如圖3所示。從圖中可以看出，對于協(xié)調(diào)器主要任務(wù)是建立一個(gè)個(gè)域ZigBee網(wǎng)格，并等著終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，搜集終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)；對于終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)主要是采集傳感器數(shù)據(jù)，通過不斷地嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在成功加入后將數(shù)據(jù)包信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中。由于具體的代碼較長，在此不再列出。

圖3 任務(wù)流程圖

2.2 ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口

ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口模 塊 主 要 有ZigBee串口通訊模塊和GSM監(jiān)視模塊，ZigBee串口通訊模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU中進(jìn)行處理；GSM監(jiān)視模塊負(fù)責(zé)按照MCU的指令將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞謾C(jī)中，或者控制GSM模塊發(fā)送信息到手機(jī)。

2．2．1 接口的硬件設(shè)計(jì)

MCU選擇STM32F103RCT6單片機(jī)，在本系統(tǒng)中主要的作用是通過串口接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給GSM。對于GSM模塊，目前市場上成熟產(chǎn)品都具有數(shù)據(jù)引出口，并基本上都支持GSM相關(guān)的AT控制指令，在硬件連接方面，只要在數(shù)據(jù)口中找到RXD、TXD和GND三個(gè)引腳與單片機(jī)上相對于的引腳連接即可。

2．2．2 接口的軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)MCU與GSM模塊接口程序時(shí)，首先要進(jìn)行串口配置，GSM模塊數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，因此需要首先按此設(shè)置單片機(jī)工作模式。單片機(jī)通過向GSM模塊發(fā)送AT指令控制GSM模塊，在執(zhí)行每一個(gè)指令過程中都需要單片機(jī)與GSM模塊進(jìn)行一次交互應(yīng)答，對于每一次發(fā)送或者接收的字節(jié)數(shù)都有嚴(yán)格規(guī)定，必須按照這些規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，否則將會(huì)導(dǎo)致通信失敗。圖4（a）描述了單片機(jī)在通信過程中系統(tǒng)的運(yùn)行框架。在給系統(tǒng)供電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，主要包括對串口的配置以及啟動(dòng)串口。進(jìn)而單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送入網(wǎng)檢測指令，嘗試接入網(wǎng)絡(luò)。在成功接入網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入發(fā)送信息子程序。發(fā)送信息子程序是整個(gè)單片機(jī)程序中最核心的部分，圖4（b）展示的是發(fā)送信息的子程序流程圖，單片機(jī)通過執(zhí)行程序指令控制GSM模塊發(fā)送信息到手機(jī)，具體的程序在此處省略。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試

為了測試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，在一家庭住宅內(nèi)進(jìn)行了實(shí)地測試。在四個(gè)主要功能房間內(nèi)分別布置了一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置在書房內(nèi)。在組網(wǎng)過程中，先打開協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再打開各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，開始對傳感器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)置數(shù)據(jù)保存間隔為1 min，并以文本格式保存在本地存儲卡內(nèi)。

圖4 檢測系統(tǒng)圖

圖5 PM2．5濃度變化曲線

利用該系統(tǒng)進(jìn)行了為期一個(gè)月的實(shí)地測試，以室內(nèi)PM2．5濃度為例，圖5展示了在測試階段客廳內(nèi)濃度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定監(jiān)控室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化，為住宅用戶了解室內(nèi)環(huán)境提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對住宅室內(nèi)各個(gè)功能房間內(nèi)空氣品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測目的。通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)證明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠通過網(wǎng)絡(luò)和終端實(shí)時(shí)對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GSM模塊傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)上，在監(jiān)控點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)通過發(fā)送短信通知用戶。系統(tǒng)在住宅房間內(nèi)使用性強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。