基于ZigBee技術的空氣質量檢測系統研究開發實現

許元 胥建鵬

摘要

隨著無線通訊技術的飛速發展，和人們對空氣質量檢測要求的提高，本文介紹了一種基于ZigBee技術的便攜式空氣質量檢測系統的設計與實現，改變了以往空氣質量檢測系統存在的實時性差、體積大、易錯報、漏報以及控制系統復雜等問題。本系統以CC2530芯片為平臺，在終端采集空氣中的PM2.5（可入肺顆粒物）、PM10（可吸入顆粒物）、臭氧（化學式為“0₃”）、一氧化碳（化學式為“CO₂”）指標和空氣的溫濕度值，并通過ZigBee技術傳送給集中器;集中器再通過串口轉USB傳輸給PC機，然后在PC機上進行數據的顯示、處理和保存功能。本系統可用來檢測室內外空氣質量，具有能耗低、成本低、可靠性高和便攜等優點。

【關鍵詞】CC2530 PM2.5 PM10 臭氧 一氧化碳 ZigBee 空氣質量檢測

1 引言

大氣環境是人類生存環境的重要組成部分，也是人類生存、發展的基本物質基礎。當前，隨著我國經濟的快速發展，工業企業的不斷擴張，環境污染日益嚴重。由于工業集中，加上人口密集等原因使得空氣污染主要集中于城市，經常會出現霧霾天氣。大氣污染物主要是PM2.5（可入肺顆粒物）、PM10（可吸入顆粒物）、臭氧（化學式為“O₃”）和一氧化碳（化學式為“CO₂”）。大氣污染物經工廠直接或間接排放到大氣中，嚴重地危害到人們的身體健康。本文設計了基于ZigBee無線傳輸技術的便攜式空氣質量檢測系統，監測人員只需在檢測區域放置空氣質量檢測系統的終端，然后就可以通過本系統的集中器在PC機上，實時獲取該區域內以上主要大氣污染物的指標，為及時處理大氣污染突發事件提供有力的保證。

2 總體設計方案

如圖1所示，空氣質量檢測系統包括3大部分，分別采集終端、集中器和PC機。

采集終端分為：傳感器模塊、數據處理模塊、數據發送模塊和電源模塊。其中傳感器模塊分別由溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器、臭氧傳感器、顆粒物傳感器組成;數據處理模塊由微處理器（CC2530）組成;數據發送模塊由ZigBee發送組件組成;電源模塊采用5.0V的USB接口，采用的普通USB充電器供電。采集終端先通過傳感器模塊采集各種空氣質量的指標，然后通過數據處理模塊將所有指標數據進行換算打包處理并傳輸給數據發送模塊，數據發送模塊只需要最后將數據通過ZigBee無線組件發送給集中器。主要進行以上各種空氣質量指標的采集、簡單處理然后發送給集中器。

集中器分為：ZigBee接收模塊和串口轉USB模塊。集中器主要對通過ZigBee接收的數據進行串口轉USB處理，然后通過USB發送給PC機。集中器也采用5.0V供電，直接由PC機的USB提供電源。

PC機部分只有一個應用程序，在程序界面可以通過點擊“串口運行”啟動接收來自集中器的數據，并把數據顯示在對應的應用程序界面位置，為監測人員提供判斷或決策的依據。

3 硬件電路設計

本系統以TI公司生產的CC2530為平臺。CC2530以針對無線領域的穩定的片上系統，較低的成本被廣泛應用于2.4-GHz IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE等各種無線領域的解決方案中。它結合了領先的無線收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，256KB的FLASH，8KB的SRAM、8通道14位ADC等其它強大的功能，這就使得它比其他微控制器在ZigBee應用中成為了最佳選擇。

3.1 顆粒物傳感器信號處理電路

如圖2所示，顆粒物傳感器使用激光檢測原理，由專用的激光模塊產生一束特定的激光，當顆粒物經過時，其信號會被超高靈敏的數字電路模塊檢測到，通過對信號數據進行智能識別分析得到顆粒計數和顆粒大小，再根據專業的標定技術得到粒徑分布與質量濃度轉換公式，最終得到顆粒物質量濃度。可檢測到空氣中0.3-10微米懸浮顆粒物濃度，具備數據穩定可靠、數字化輸出、集成度高等特點。

本系統中，通過波特率為9600bps的串口由CC2530實時讀取，PM2.5和PM10的測量數據。

3.2 一氧化碳、臭氧傳感器信號處理電路

MQ-7（一氧化碳）、MQ-131（臭氧）氣體傳感器屬于半導體電阻式傳感器，其氣敏材料是用在清潔空氣中電導率低的二氧化錫（Sn02）構成，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，可將電導的變化量轉化為與之對應的電壓輸出信號再通過模數轉換得到氣體指標值。半導體傳感器的結構簡單、成本較低、性能穩定，測量數據的范圍和傳感器的分辨率基本能達到環境檢測的要求。

本系統中，這兩種信號都采用CC2530的ADC模塊，對傳感器的輸出電壓進行模數轉換，并由CC2530換算成對應的指標數值。如圖3所示。

3.3 溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它采用專業的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，此傳感器可將數字信號值直接輸送至微處理器，因此具備簡易快捷、程序簡單等特點。

本系統中和DHT11的通訊，采用CC2530的程序模擬單總線進行通訊，直接獲取溫濕度值。如圖4所示。

4 系統軟件設計

4.1 采集終端程序設計

本文設計中CC2530芯片程序的編寫環境為IAR EW8051 V8.1集成開發環境，使用C語言編寫，使程序移植和調用方便、靈活，能最大程度的提高系統程序的可靠性和穩定性。由程序初始化，數據采集處理，通訊三個模塊組成。數據的采集要求每秒采集一次，采用定時中斷的方式執行數據采集，將采集的各類空氣質量數據經ZigBee模塊發送給集中器。如圖5所示。

4.2 PC機程序設計

空氣質量檢測系統數據中心程序是采用Microsoft公司的VC++6.0 進行開發，以Zigbee通信方式實現空氣質量數據（溫度、濕度、PM2.5、 PM10等參數）的存儲和讀取。根據實際需求，應用程序分為用戶界面和數據管理兩部分。管理人員可以通過用戶界面實時、直觀的了解檢測區域內相關信息，可對檢測區域的空氣質量安全進行評估與決策。數據管理部分將所有數據以及分析狀況進行儲存，方便用戶隨時查詢。檢測系統軟件界面如圖6。

5 實驗結果分析

實驗與物理量的測量密不可分，無論是直接測量還是間接測量都會受到實驗環境、儀器、實驗條件等相關因素制約，總會產生一定程度上的誤差，所以我們需要對測量結果進行有效的估算。誤差估計公式為（1）：

式中：σ-相對誤差;fx-測試結果;f-被測真值

其中相對誤差，即測量的絕對誤差與被測量的真值之比。本系統僅進行部分實驗：溫濕度模塊的檢測，采用與傳統溫度計測量值進行比較分析，傳統溫度計型號為德副牌TH101B型室內溫度計。

由表1可看出，傳感器測量結果與溫度計測量結果存在一定誤差，通過對測試數據及其誤差的計算、分析，其相對誤差小于百分之二，滿足了實際的測試需求。

6 結論

本文中所設計的空氣質量檢測系統，從數據采集、傳輸、到讀取，全程無人工參與，就大大提高了數據的準確性和實時性，避免了人為的抄錄數據造成的抄錯、漏抄和實時性差等缺點。系統采用無線傳輸，相對于布線系統有更大的靈活性，和場合適應性。無線采用ZigBee通訊方式，大大增加了傳輸的可靠性，相比于其它無線傳輸信號更穩定，數據準確性會更高。系統電源采用以被廣泛應用的USB供電，適應性更強。系統采集終端只有8cm（長）*8cm（寬）*6cm（高）的體積，比普通空氣質量檢測儀小很多，可以放置在室內外任何需要檢測的地方，可在多樣化的環境下獲取大量詳實、可靠的信息。該系統大量采用商品化模塊，具備高可靠性、功耗低、小尺寸等特點，能夠隨時隨地對特定區域進行實時檢測，具有較強的便攜性，大大提升了空氣質量的檢測能力，因此具有現實的推廣意義，可廣泛適用于農業、工業和商業等領域。

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