摘 要：為了提高室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化和自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用CC2530為核心控制器，由終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)與各傳感器相連接，能夠測(cè)量室內(nèi)的溫度、濕度、有毒氣體和空氣質(zhì)量等，并且可以通過(guò)ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的通信。系統(tǒng)可以通過(guò)TFT液晶顯示器對(duì)室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有毒氣體時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口通信的方式，將采集到的溫度、濕度和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端。在PC端，采用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面，不僅可以實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，還具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能。完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠高效實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)樘嵘覂?nèi)環(huán)境質(zhì)量提供有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530控制器；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)；溫濕度監(jiān)測(cè)；有毒氣體監(jiān)測(cè)；Visual Basic 6.0

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-000-05

0 引 言

辦公室、教室及住宅等室內(nèi)場(chǎng)所，是人們工作、學(xué)習(xí)、生活的重要場(chǎng)所[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，民眾生活水平不斷提升，人們對(duì)室內(nèi)場(chǎng)所，特別是住宅環(huán)境的關(guān)注度日益上升，安全、舒適、健康的室內(nèi)環(huán)境成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[2-4]。適宜的溫度和濕度是營(yíng)造室內(nèi)舒適環(huán)境的關(guān)鍵因素?？諝馕廴緯?huì)嚴(yán)重影響身體健康，特別是PM2.5等微小顆粒物可以通過(guò)呼吸道直接進(jìn)入人體肺部[5]。此外，煤氣、天然氣等可燃性氣體已廣泛應(yīng)用在家庭烹飪、熱水制備過(guò)程中，這些有毒氣體一旦泄漏，不僅會(huì)危害人們的身體健康，甚至可能危及生命。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

ZigBee技術(shù)是一種低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的無(wú)線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、智能家居、樓宇自動(dòng)化、煤礦等領(lǐng)域[6-7]。本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可采集室內(nèi)的溫度、濕度、有毒氣體和空氣質(zhì)量指數(shù)等數(shù)據(jù)，并且能夠通過(guò)TFT液晶顯示器進(jìn)行直觀顯示。系統(tǒng)具備報(bào)警機(jī)制，一旦檢測(cè)到有毒氣體，會(huì)立即觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。此外，系統(tǒng)還可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為調(diào)控室內(nèi)環(huán)境提供了數(shù)據(jù)支持，而且通過(guò)采用無(wú)線通信的方式，還可以有效避免有線布置所產(chǎn)生的繁瑣和不美觀等問(wèn)題，極大地方便了對(duì)室內(nèi)多點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量。此外，該系統(tǒng)還具備組網(wǎng)方便、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，以CC2530為控制器，主要由電源模塊、溫濕度測(cè)量模塊、空氣質(zhì)量測(cè)量模塊、有毒氣體測(cè)量模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

電源模塊：系統(tǒng)采用兩種供電方案，一種是通過(guò)降壓電路，將5 V電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V，再進(jìn)行供電；另一種是通過(guò)2節(jié)5號(hào)電池進(jìn)行供電。

溫濕度測(cè)量模塊：采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11測(cè)量室內(nèi)空氣溫濕度。

空氣質(zhì)量測(cè)量模塊：采用GP2Y1010AU0F傳感器測(cè)量室內(nèi)粉塵濃度。

有毒氣體測(cè)量模塊：采用MQ-2氣體傳感器測(cè)量室內(nèi)有毒氣體。

顯示模塊：采用TFT液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值以及空氣質(zhì)量等級(jí)。

報(bào)警模塊：當(dāng)檢測(cè)到有毒氣體時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面：上位機(jī)與協(xié)調(diào)器采用串口通信，采用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩種供電方案，一種是采用5 V電源，并通過(guò)AMS1117-3.3穩(wěn)壓器將其轉(zhuǎn)換為3.3 V的輸出電壓[8-9]，如圖2（a）所示；另一種是通過(guò)2節(jié)5號(hào)電池進(jìn)行供電，并通過(guò)TPS60210芯片將電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的輸出電壓，如圖2（b）所示[10-11]。

2.2 溫濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用單總線、數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11測(cè)量室內(nèi)溫度和濕度，并以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，濕度測(cè)量范圍[12]為20%～90%RH。DHT11具有VCC（電源正）、DATA（數(shù)據(jù)傳輸）、NC（空腳）、GND（接地）等4個(gè)引腳，溫濕度測(cè)量電路如圖3所示，DATA引腳與CC2530的引腳相連接。

2.3 空氣質(zhì)量測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用夏普公司開(kāi)發(fā)的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測(cè)量室內(nèi)PM2.5指數(shù)。GP2Y1010AU0F傳感器是一款光學(xué)灰塵濃度檢測(cè)傳感器，內(nèi)部成對(duì)角分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管利用光敏原理來(lái)工作。其具有6個(gè)引腳，引腳功能見(jiàn)表1，空氣質(zhì)量測(cè)量電路[13-14]如圖4所示。

2.4 有毒氣體測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用煙霧傳感器MQ-2測(cè)量室內(nèi)煤氣、天然氣等有毒氣體，具體測(cè)量電路如圖5所示[15-16]。該傳感器有數(shù)字量輸出（DO）和模擬量輸出（AO）輸出兩種形式。鑒于本文的應(yīng)用場(chǎng)景中僅需在檢測(cè)到有害氣體時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，而無(wú)需精確讀取具體數(shù)值，因此僅采用數(shù)字量的輸出方式。MQ-2傳感器的DO輸出端與CC2530的P0_4引腳相連。

2.5 顯示與報(bào)警電路設(shè)計(jì)

采用TFT液晶彩屏顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，該顯示屏由多個(gè)LED單體組成，尺寸為1.44英寸，分辨率為128 × 128，128個(gè)LED單體排成一行，共128行。采用SPI串口與CC2530通信，共有6個(gè)引腳，電路連接如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)有有毒氣體時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警電路如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。其中，終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)基于ZigBee 2007（Z-Stack）協(xié)議棧和IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)；上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)則通過(guò)Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)軟件來(lái)完成。

3.1 室內(nèi)環(huán)境測(cè)量程序設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器DHT11采用單總線與CC2530通信，每次發(fā)送5個(gè)字節(jié)（40位）數(shù)據(jù)，按照高位在前、低位在后的順序傳輸，數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)字節(jié)濕度整數(shù)+1個(gè)字節(jié)濕度小數(shù)+1個(gè)字節(jié)溫度整數(shù)+1個(gè)字節(jié)溫度小數(shù)+1個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和；由于DHT11的分辨率只能到個(gè)位，所以濕度和溫度的小數(shù)部分為0；校驗(yàn)和是前4個(gè)字節(jié)的和，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

采用MQ-2煙霧傳感器進(jìn)行有毒氣體測(cè)量，并選擇數(shù)字量輸出模式。MQ-2傳感器配備有靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，可根據(jù)需求設(shè)定閾值。CC2530的P0_4引腳被指定為檢測(cè)引腳，當(dāng)測(cè)量到有毒氣體體積分?jǐn)?shù)高于所設(shè)定的閾值時(shí)，P0_4引腳輸出低電平。此時(shí)，CC2530通過(guò)P0_4引腳輸出的低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。

采用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測(cè)量室內(nèi)PM2.5指數(shù)，其輸出為電壓值，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。通過(guò)CC2530的ADC模塊將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用于數(shù)據(jù)的顯示和傳輸。采用多次讀取A/D轉(zhuǎn)換值并求平均值的方法提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，文中取10次轉(zhuǎn)換值求平均值，程序流程如圖8所示。

3.2 顯示程序設(shè)計(jì)

采用1.44英寸的TFT液晶顯示屏顯示環(huán)境溫度、濕度、空氣質(zhì)量指數(shù)以及空氣質(zhì)量等級(jí)，顯示程序流程如圖9所示。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的全面測(cè)量任務(wù)，其主要功能包括：數(shù)據(jù)采集與顯示、將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、在采集到有毒氣體時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。終端節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；隨后搜索周?chē)欠翊嬖赯igBee網(wǎng)絡(luò)；如果成功搜索到網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)立即向協(xié)調(diào)器發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求；加入成功后，每隔5 s向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

3.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的管理者。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；隨后建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求；入網(wǎng)成功后，給新入網(wǎng)的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址；接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并顯示[17-18]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過(guò)串行口進(jìn)行通信，并向上位機(jī)發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

3.5 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用可視化編程軟件Visual Basic 6.0編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控界面。利用MSCOMM控件可以很方便地實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的串口通信。上位機(jī)監(jiān)控界面由串口設(shè)置、報(bào)警值設(shè)置、溫度顯示、濕度顯示、空氣質(zhì)量顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等部分組成。

串口設(shè)置：在組合框中添加了串口號(hào)，用于選擇串口；“打開(kāi)串口”按鈕在串口打開(kāi)成功后，名稱變?yōu)椤瓣P(guān)閉串口”，指示燈變成綠色，再次點(diǎn)擊該按鈕，串口關(guān)閉，按鈕名稱變?yōu)椤按蜷_(kāi)串口”，指示燈顏色變?yōu)榧t色。

報(bào)警值設(shè)置：設(shè)置溫度、濕度的上限和下限。

溫度顯示：顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度，并通過(guò)指示燈的顏色表示當(dāng)前溫度是否處于設(shè)定范圍內(nèi)，綠色表示在設(shè)定范圍內(nèi)，紅色表示不在設(shè)定范圍內(nèi)。

濕度顯示：顯示當(dāng)前室內(nèi)濕度，并通過(guò)指示燈的顏色表示當(dāng)前濕度是否處于設(shè)定范圍內(nèi)，綠色表示在設(shè)定范圍內(nèi)，紅色表示不在設(shè)定范圍內(nèi)。

空氣質(zhì)量顯示：顯示空氣質(zhì)量指數(shù)，不同空氣質(zhì)量等級(jí)的字體顏色不同，“一級(jí)優(yōu)秀”字體顏色為綠色，“二級(jí)良好”字體顏色為黃色，“輕度污染”字體顏色為橙色，“中度污染”字體顏色為紅色，“重度污染”字體顏色為紫色，“嚴(yán)重污染”字體顏色為褐紅色。

歷史數(shù)據(jù)查詢：查詢室內(nèi)環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

完成硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫(xiě)和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。給終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電，在Visual Basic 6.0中點(diǎn)擊運(yùn)行，在串口設(shè)置中根據(jù)電腦硬件串口號(hào)在列表中選擇相應(yīng)的串口號(hào)，點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”按鈕，串口指示燈變?yōu)榫G色，表示串口被打開(kāi)，按鈕名稱變?yōu)椤瓣P(guān)閉串口”。在報(bào)警值設(shè)置中，設(shè)置溫度、濕度的上限和下限。在溫度、濕度和空氣質(zhì)量的顯示欄中可以看到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)?？諝赓|(zhì)量等級(jí)不同，其字體的顏色也不同。終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的運(yùn)行情況如圖12所示。

點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)查詢”按鈕可以查看室內(nèi)環(huán)境歷史數(shù)據(jù)，如圖13所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于ZigBee技術(shù)，以CC2530為控制器設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面組成，具有室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示以及有害氣體的檢測(cè)、報(bào)警等功能。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。運(yùn)行結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠高效地對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、界面清晰、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為祖一康。

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