基于ZIGBEE的空氣質量檢測儀設計研究

陳創 王勤湧 蔣凱特 金通華 陳珂偉

摘要：本文是基于ZIGBEE的空氣質量檢測儀設計研究，主要從ZigBee組網的搭建入手，系統的介紹了空氣質量主要參數的采集和處理過程以及物聯網模型的控制。本文使用LM3S811作為數據采集器的主控芯片，與傳感器模塊使用I2C進行數據傳輸，并可以通過串口與PC機進行數據通訊，同時也可以通過ZigBee組網與以LMS9B96為主控芯片的協調器模塊進行通訊。協調器可以通過串口與上位機進行通訊。

關鍵詞： ZigBee組網；空氣質量監測； CortexM3

中圖分類號：TP368文獻標識碼：A

近年來，隨著生活質量的提高和空氣質量的日益嚴峻，社會上對于空氣質量檢測產品的需求也呼聲高漲，家庭空氣質量也被更多人所關注，越來越多的家庭希望能夠對自己所處的環境進行實時的監測。本文討論的空氣質量檢測儀應運而生。使用LM3S811作為數據采集器的主控芯片，與傳感器之前使用I2C協議進行數據傳輸，并可以通過串口與PC機進行數據通訊，同時也可以通過ZigBee組網與以LMS9B96為主控芯片的協調器進行通訊[1]。

1空氣質量檢測儀結構和原理

系統按硬件分為4大部分組成：傳感器采集節點、路由中間節點、協調器節點（用于傳輸數據至PC）[2]以及PC機平臺控制軟件。系統框圖如圖1所示：

協調器與PC機的數據通訊支持以太網以及USB傳輸，其余節點均采用ZigBee網絡。終端和路由使用LM3S811主控芯片，匯聚節點采用LM3S6952，該主控芯片支持以太網和USB，終端節點除數據傳輸外，還需進行傳感器信號處理。

正常工作時，LM3S811采集節點傳感器信號，讀取O2傳感器和可燃氣體傳感器的信號。信號經過軟件處理后變為0V5V的模擬電壓值，氧氣濃度傳感器通過化學反應產生電流信號輸出，經ADC采樣并轉化為電壓值。可燃氣體傳感器的阻值隨可燃氣體濃度改變而變化，它將被測氣體的濃度信號轉變成相應的電信號。單片機根據濃度值計算公式對A/D 轉換后的電壓量進行計算，得出所需的氣體濃度數據，再使用ZigBee通訊發送至協調器進行顯示。

2系統設計

2.1 系統控制器

主控芯片采用LM3S9B96，ARM CortexM3內核，最大主頻80 MHz，256 KByte FLASH，96 KByte SRAM。內部外設極為豐富，集成10/100MHz以太網USB OTG、16路ADC，UART等等外設[3]。

采集節點主控芯片采用LM3S811，最大支持主頻50 MHz，亦為ARM CortexM3內核，內置64 KByte FLASH，8 KByte SRAM。內部外設包括4路10位ADC2路UART、SSI、3個通用定時器等等外設[4]。

2.2 氧氣濃度，可燃氣體濃度檢測

氧氣傳感器模塊所采用的芯片是英國Alphasense公司的O2A2，該傳感器屬于電化學式的，其工作原理是通過化學反應產生電流信號輸出。

氧氣傳感器模塊原理圖如圖2所示：

可燃氣體傳感器使用MQ2傳感器，MQ2傳感器是一種電阻控制型的氣敏器件，其電阻值隨氣體的濃度變化而變化，是一種“氣—電”傳感器件，可將氣體的濃度信號轉化為相應的電信號。

MQ2傳感器阻值與氣體濃度的關系一般為非線性HYPERLINK"http：//www.zhenfengdz.com/plus/tags.asp？n=線性"＼t"_blank"關系，但在一定濃度域的氣體檢測時可近似認為是線性的，如下圖所示。因此，在一定的濃度范圍內（通常情況下氣體爆炸下限濃度的1/4～1/10）的檢測線性度較好[5]。

MQ2傳感器模塊電路圖如圖3所示：

2.3 ZIGBEE網絡數據收發電路設計

ZIGBEE采用CC2420，該器件符合2.4GHz IEEE802.15.4標準。正常工作只需少量的外部元件，性能穩定，功耗較低，短距離通信時具有較高的有效性和可靠性，可實現多點對多點的快速組網。

2.4 液晶顯示

采用了一個3.5寸的TFT LCD液晶，320X240像素，26萬色，（四線電阻屏）支持觸摸功能。作為LM3S9B96的顯示設備，實時得顯示信息。

3 軟件程序設計

3.1 可燃氣體測量程序設計

MQ2將被測氣體的濃度（成分）信號轉變成相應的電信號。通過ADC采樣程序，將濃度信號轉化為電壓值，而后使用濃度值計算公式對A/D 轉換后的電壓值進行計算，得到所需的氣體濃度數據，發送至協調器，目的地址的短地址為0x0000。

3.2 氧氣測量程序設計

氧氣測量程序的功能通過ADC采樣中斷，得到O2A2產生的電流信號輸出。根據濃度值計算的公式對A/D 轉換后的電壓量進行運算處理，得到所需的氧氣濃度數據，發送至協調器。發送到協調器。目的地址的短地址為0x0000。

3.3 顯示程序設計

顯示采用TFT LCD液晶屏幕，使用并行數據傳輸方式將處理后的數據進行十進制顯示。TFTLCD驅動流程如圖4所示：

4 結語

本文主要分析了空氣質量檢測儀設計研究中可燃氣體傳感器和氧氣傳感器在采集傳輸上的應用。采用ZigBee網絡通訊，實現了節點數據對上位機的傳輸。可應用于礦產，工廠，家庭等不同地方的空氣質量檢測。具有檢測快速，精確，方便等特點。可燃氣體、氧氣傳感器模塊等硬件傳感器模塊、可拆卸化的模塊設計、使得本空氣質量檢測儀能在適用于各種環境，對于空氣質量的控制研究和控制平臺的設計有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]袁緒，宋康，查長海，陳富強，唐先堯.基于STC12C5A60S2的空氣質量檢測系統設計.電子設計工程，2015 （6）.

[2]陳晨，曹珍貫，王政，陸偉，張智勇.基于單片機的便攜式空氣質量檢測器設計.黑龍江科技信息，2014 （13）.

[3]TI； Stellaris LM3S9B96 微控制器 數據表 （Rev. L） .http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocumentsHYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocuments"，2012 2 13.

[4]TI； StellarisLM3S811 Microcontroller Data Sheet 數據表； http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments，HYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments"2014715.

[5]吳恩銘，鄭張鑫.移動式空氣質量檢測站模型的設計 Technology Outlook ，2015 （18）.