基于ZigBee無線通信技術的空氣粉塵顆粒監控系統

齊 雨

（燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066000）

基于ZigBee無線通信技術的空氣粉塵顆粒監控系統

齊 雨

（燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066000）

隨著無線通信技術的不斷成熟發展，針對日益嚴重的霧霾問題，文章設計了基于ZigBee無線通信技術的空氣粉塵顆粒監控系統。系統由多個終端模塊，ZigBee網絡與PC端構成。終端模塊采用粉塵傳感器收集數據并通過控制器定時采集數據；ZigBee網絡以CC2530為主控芯片，運行ZigBee/PRO協議棧構建無線網絡，實現節點間點對點或點對多點透傳；通過USB接口轉串口實現與PC機的通信，并使用上位機軟件和串口調試助手進一步進行數據的存儲、分析、顯示和共享。該系統成本低廉、性能穩定，能準確顯示空氣質量信息，達到設計要求。

ZigBee技術；環境監測；CC2530

隨著經濟的發展和環保意識的提高，環境問題開始逐漸受到人們的關注。在中國大部分，特別是工業集中的華北地區，PM 2.5占到了整個空氣懸浮顆粒物重量的大半，PM 2.5已經成為“空氣質量指數”（AQΙ）中的一項重要監測指數。但由于室內外環境差異、一天內不同時間段指數差異等因素，用戶無法及時掌握周圍環境的pm 2.5實時指數。而無線傳感網絡由于具有高度的靈活性、模塊化和可擴展性等特點，能很好地解決有線網絡成本高、布線難等問題，滿足用戶及時掌握周邊粉塵濃度的需求。

因此，本文結合ZigBee技術設計了一種基于ZigBee技術的空氣粉塵顆粒監控系統，構建了一個多傳感器網絡，實現終端節點與協調器節點間的數據無線傳輸，并將數據通過串口傳到上位機顯示并保存。該系統具有靈活性、可擴展性等優點。

1 ZigBee技術概述

ZigBee技術是一種新興的低復雜度、低功耗、低成本、低傳輸速率的雙向無線通信技術。它由ZigBee聯盟制定，主要適合于短距離、承載數據流量小、數據傳輸速率低的無線通信，并能嵌入到各種通信設備中去[1]。它基于IEEE 802.15.4標準，在數千個微小傳感器間相互協調實現通信。ZigBee網絡通常由協調器、路由器和終端節點3種節點組成，可以實現星狀、片狀和網狀網絡拓撲結構。其優勢有以下幾點。

1.1 低成本

ZigBee協議較其他無線通信技術的協議簡單，對通信設備要求也較低，降低了器件成本。且ZigBee協議是免專利費的，降低了研發和生產成本。

1.2 低功耗

ZigBee的傳輸速率低，發射功率小，傳輸信息量小，且在不工作時進入休眠狀態，電流僅有100 μA。在同等條件下工作時長可以達到W iFi或藍牙時長的數十倍甚至數百倍。

1.3 大容量

一個ZigBee網絡最多可容納255個設備，其中有一個主設備，將一個區域內的ZigBee網絡相連，最多可容納超過64 000個節點。

1.4 自動組網

系統協調器初始化一個ZigBee網絡，協調器自動給路由器分配地址，無需人工干預，模塊若掉電，網絡可自動修復，在任意兩個節點之間通過指定地址的方式傳送。

2 系統工作原理

本系統由終端模塊、協調器和PC端3部分組成，采用終端模塊和協調器無線通信的ZigBee網絡拓撲結構。系統工作原理如圖1所示。首先協調器同過USB接口與PC機相連，協調器上電后創建網絡等待終端節點。終端模塊由粉塵傳感器、控制器和終端節點組成，由粉塵傳感器采集空氣粉塵濃度數據并將其發送給控制器處理，控制器通過串口周期性地將數據傳給終端節點。終端節點加入協調器創建的網絡后便可通過無線網絡定時將數據轉發給協調器，協調器將數據通過串口發送給PC端。

圖1 系統工作原理

3 系統硬件設計

監控系統主要由數據采集、控制和傳輸3部分模塊組成，系統硬件結構如圖2所示。采集模塊通過粉塵傳感器收集數據，由控制器模塊定時收集和處理數據，再通過串口將信息傳遞給數據傳輸模塊，雖然數據傳輸模塊采用的cc2530芯片自帶8051單片機，但為了擁有更快的數據處理速度，故專門設置了控制器模塊。

圖2 監控系統硬件總體結構

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊采用了夏普（GP2Y1010AU0F）粉塵傳感器來采集空氣中的粒子濃度。夏普（GP2Y1010AU0F）粉塵傳感器，是一款光學空氣質量傳感器，設計用來感應空氣中的塵埃粒子，其內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，可測量0.8微米以上的微小粒子。它不僅可探測粒子濃度，還可以根據煙霧與灰塵的特點鑒別其種類。隨著粒子濃度的變化，其輸出電壓不斷變化，煙是連續地表現出較高的輸出電壓，灰塵是間隔地表現出較高的輸出電壓。因此，根據傳感器的輸出電壓值（發光素子和已同期的脈沖輸出電壓值）在時間上的推移向微機軟件的讀取，是否無塵/是否有煙/是否有灰塵，不管是哪種狀態，空氣污染的程度是多少，都可以進行檢出。

3.2 控制器模塊

控制器模塊采用了宏晶科技生產的STC12C5A60S2/ AD/PWM 系列單片機。STC12C5A 60S2/AD/PWM系列單片機是宏單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成 M AX 810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）,針對電機控制，強干擾場合價格低，支持A/D，PWM數據采集，可以滿足模擬/數字輸入。其內部結構如圖3所示。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機能夠快速處理從傳感器收集來的數據并通過串口傳給無線傳輸模塊。

3.3 無線傳輸模塊

ZigBee無線透傳模塊主要實現串口轉ZigBee無線數據透明傳輸。它基于TI公司

CC2530F256芯片，增加了射頻收發前端CC2591，內部運行ZigBee2007/PRO協議棧，具有ZigBee協議的全部特性。針對復雜的ZigBee協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，用戶無需了解ZigBee協議棧，只需要讀寫串口，即可實現數據的無線傳輸，簡單易用。CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第二代支持ΙEEE 802.15.4/ZigBee協議的片上系統（System On a Chip，SOC）芯片。其內部集成了高性能射頻（Radio Frequency，RF）收發器，工業標準增強型 8051 MCU 內核、256 KB Flash ROM（Read-Only Memory）和8 KB RAM（Random Access Memory）[2]。其十分適于低功耗、低傳輸速率的系統。

圖3 STC12C5A60S2內部結構

由于CC2530芯片的發射功率很小，接收靈敏度也不高，這就限制了其傳輸距離。為滿足實際通信距離需求，本系統增加了射頻收發前端CC2591來增大通信距離。CC2591是TI公司生產的工作在2.4G Hz的RF收發器、發送器及SOC。CC2591可以通過一個功率放大器（Power Am plifier，PA）來提供較高的輸出功率，通過低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）來改善接收機的靈敏度，從而可以改善鏈路的估算[3]。

3.3.1 協調器節點

協調器節點接收終端模塊傳來的數據，并將數據傳遞給PC端處理。其包括微控制器模塊、射頻收發模塊、USB轉串口模塊、LED顯示、按鍵等部分。微控制器模塊和射頻收發模塊分別采用了CC2530芯片和CC2591收發器，其具體信息已在前文介紹，這里不再贅述；USB轉串口模塊可將ZigBee模塊的串口轉化為USB接口，無需外部供電，直接利用USB口供電及數據傳輸（虛擬串口）；LED顯示部分指示網絡的連接狀況。其大體硬件結構如圖4所示。

圖4 協調器節點硬件結構

3.3.2 終端節點

終端節點接受控制器模塊傳來的數據，并將數據轉發給協調器節點。其包括微控制器模塊、射頻收發模塊、串口、LED顯示、電源管理等部分。微控制器模塊和射頻收發模塊與協調器節點結構相同；串口部分作為微控制器與控制器模塊數據傳遞的渠道；LED顯示部分表示節點是否加入或退出網絡；由于終端節點無需將串口轉為USB接口，便不能通過USB接口供電，故需電源管理部分。終端節點硬件結構如圖5所示。

圖5 終端節點硬件結構

4 系統軟件設計

本系統軟件部分主要有IAR編程環境和ZigBee2007/ PRO協議棧組成。ZigBee協議架構是在IEEE 802.15.4標準基礎上構建的。IEEE 802.15.4標準規定了ZigBee協議的物理層（Physical Layer，PHY Layer）和媒體訪問控制層（Media Access Control，M AC）；而ZigBee聯盟定義了ZigBee協議的網絡層（Network Layer，NWKL），應用層（Application Layer，APL）和安全服務規范[4-5]。

4.1 協調器節點程序設計

一個ZigBee系統網絡的創建，首先需要啟動協調器。協調器上電后進行硬件初始化，并對協議棧初始化。然后進行能量檢測，并通過掃描信道選擇一個合適的信道，獲得唯一的PAN ID、網絡短地址等信息，成功建立網絡。當收到其他節點申請加入網絡的信息時，若地址空間未滿，協調器自動為節點分配網絡地址（16位）；節點成功加入網絡后便向協調器定時發送數據，協調器將數據轉發給PC端。具體程序如圖6所示。

圖6 協調器節點程序

4.2 終端節點程序設計

終端節點主要從控制模塊接收傳感器采集的數據并將其轉發給協調器。終端節點首先發現合適的網絡，并向協調器發送加入網絡的請求。成功加入網絡后，便會周期性地將數據發送給協調器。其具體程序如圖7所示。

4.3 上位機軟件設計

上位機軟件用于實時監測、顯示和存儲傳感器數據，其軟件設計是在VS2010編譯環境下開發的。上位機可以對串口進行通信設置和通信狀態設置，將串口打開并設置好通信串口狀態后，上位機可通過串口接收從協調器發來的數據包，并進行數據包的解析和分析。其可將數據以數字和圖形的形式實時顯示在界面上，并能夠將數據存儲在數據庫中，實現數據查詢。

5 系統測試

選取某間空曠較大的房間進行系統測試，將測試節點布置好并上電預熱后，首先對數據采集系統能否正常工作進行測試，由usb轉串口驅動器得到的虛擬端口號為com6，com6向66 7E發送01 02 03 04 05 06數據內容（命令格式：0xFD+數據長度+目標地址+數據內容）測試結果如圖8所示，com1可接收到上述數據。

在實驗過程中，為使實驗效果圖更加明顯，在實驗開始后點燃一支煙，并在20秒后熄滅煙頭，具體實驗數據及結果如圖9所示。

6 結語

本系統空氣粉塵檢測系統的實際需求，以CC2530為主控芯片，采用粉塵傳感器周期性采集數據，實時監測并顯示采集點的空氣質量信息，并匯總保存于數據庫中。經測試，該系統可實時獲取用戶周邊環境的粉塵顆粒濃度，且工作穩定，精確度高，隨著無線通信技術的發展，該系統會有寬廣的發展空間。

圖7 終端節點的程序

圖8 點對點通信測試

圖9 監控中心頁面

[1]王風.基于CC2530的 ZigBee 無線傳感器網絡的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2012．

[2]Texas Ιnstrument.CC2530 Datasheet[J].Digital Content Society，2009（3）：3.

[3]SLETTE E, PASZOWSKΙ M.Using CC2591 Frontend w ith CC2530/1 Datasheet[J].Texas Ιnstrument，2010（10）：4.

[4]ZigBee A lliance.ZigBee Specification[J].ZigBee A lliance，2005（1）：209-245.

[5]程春榮.基于ZigBee技術的水質監測系統的設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2009.

Air dust particle monitoring system based on ZigBee w ireless communication technology

Qi Yu
（Ιnformation Science and Engineeering College of Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China）

With the continue development of w ireless communication technology, aim ing at increasing serious dust problem, this paper design an air dust monitoring system based on ZigBee w ireless technology. The system is composed of multiple term inal modules, ZigBee network and a PC port. The term inal module adopts dust sensor to collect data and through controller to collect data on time; ZigBee network w ith CC2530 as the main control chip, running ZigBee/PRO protocol stack to build w ireless network, realizing node to node or point to multi-point transm ission between points., through USB interface to realize the PC communications to PC machine, and using the upper computer software and serial bugging supporter to further store, analyze, display and share the data. The system is low cost, stable performance, can accurately display the air quality information, which meets the design requirements.

ZigBee technology; environmental monitoring; CC2530

齊雨（1997— ），女，河北邢臺。