基于ZigBee無線傳感器網絡的環境質量監測系統設計

馬愛霞 徐音

摘? ?要：以CC2530模塊為核心構建無線傳感網絡，將采集的粉塵、溫濕度、光照等環境數據傳輸至遠程監測中心，通過上位機軟件讀取與儲存環境數據，實現環境參數遠程監測。文章根據系統的方案，設計其硬件電路功能，并設計了終端傳感器節點、中間協調器節點以及監控中心的軟件流程。

關鍵詞：溫濕度;光照;ZigBee;無線傳感網絡

隨著人們生活水平的日益提高及科技技術的進步，環境問題越來越受到重視，人們日常關注空氣質量如同每天關注天氣預報一樣頻繁。傳統的環境監測技術主要是通采用人工的方式，使用測量溫濕度等指數的儀器檢測環境質量參數，人力、財力得到大量的消耗，并且在一些環境比較惡劣的區域，使用人工方式很難實時監測，以上弊端都是傳統監測方法存在的。隨著互聯網技術和無線傳輸技術的發展，這些技術慢慢被投入到環境監測系統中來。環境檢測技術主要運用的3種技術：傳感器技術、通信技術、計算機技術。傳感器完成檢測信息的采集，通信技術完成信息傳輸，計算機技術實現數據的處理。

無線傳感器網絡是由許多微小傳感器節點構成的，微小傳感器負責系統數據的采集，各節點之間進行通信。微小傳感器以多跳無線通信方式構成自組織的網絡系統。因其具有可靠、靈活、準確等優點，同時，部件造價低廉、部署和維護簡單，近年來普及應用得非常快。現在在智能家居、環境監測、智能交通等領域得到了廣泛應用。

1? ? 系統總體方案的設計

本文是基于ZigBee無線傳感器技術的環境數據采集和控制系統[1]。該系統由監測點、中心控制節點、通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡和上位機監控中心組成。該系統的總體結構如圖1所示。

圖1? 系統總體結構

系統由終端節點、中心控制節點、上位機等組成。終端節點由數據采集及終端控制設備構成，主要負責采集環境中的溫濕度和光照等環境數據。判斷采集到的數據信息是否超出設定值，驅動繼電器控制環境現場內電燈、空調等設備。中心控制節點主要負責組建和維護ZigBee網絡，發送、接收數據和指令，并通過GPRS網絡與上位機進行通信。上位機負責實時地顯示環境數據，當采集值超出當前設置的界限值時，發出預警信息，并且發出控制機電設備的指令[2-4]。

2? ? 系統硬件

整個系統的前端數據是采集模塊部分，主要實現采集環境參數的數據，并完成數據的無線傳輸。通過傳感器節點采集溫度、灰塵和濕度數據，之后傳送給單片機來實現控制和處理。具體實現過程是將部署在環境監測區中的各ZigBee采集節點采集到的數據發送給ZigBee協調器，ZigBee節點與中間協調器的通信是通過建立的無線傳感器網絡進行的，注意ZigBee節點之間是無法相互通信的，只與協調器進行單向的數據傳輸[5]。

選用SHT11傳感器采集空氣溫、濕度，檢測被監測環境區域內部的溫、濕度等環境參數。SHT11的主要性能指標有： 溫度測量范圍：-40～123.8 ℃;相對濕度測量范圍：0～100%;濕度測量精度：±3%;溫度測量精度：（±0.4）℃（在25 ℃時）;電源電壓范圍：2.4～5.5 V;電流消耗：電路工作時測量為550 μA，平均工作電流28 μA，器件休眠時測量值為3 μA。

灰塵傳感器選用DSM501灰塵傳感器，主要特點及性能指標：內置加熱器可實現自動吸入空氣;工作電壓范圍（DC）（5.0±0.5）V;輸出方式脈沖寬度調制、脈寬調制;低電平（有粒子時）輸出電壓：0.7 V（max1.0 V）;高電平（潔凈空氣時）測得輸出電壓：4.5 V（min4.0 V）;檢出最小粒子大小是1 μm;靈敏度為15 000個/283 mL;工作電流（最大值）90 mA;儲存濕度環境0～99% RH;濕度工作環境0～95% RH;儲存溫度環境-20～80 ℃;工作溫度環境-10 ～60 ℃;穩定時間加熱器電源接通后約1 min。

選用TBQ-6傳感器采集光線亮度，主要用來檢測區域環境的光照強度，其主要性能指標有：光照度測量范圍：0～20萬 lx;光譜范圍：400～700 nm的可見光;電源電壓：24 V（12～30 V）;輸出信號有兩種：4～20 mA標準電流、0～5 V標準電壓;測量誤差均在（±7%）以內;以上信號測量時工作環境溫、濕度為0～40 ℃，0～70%;大氣壓力80～110 kPa[6]。

3? ? 系統的軟件設計

系統的軟件設計由監測傳感器節點的設計、控制中心多傳感器數據融合，設計網關數據融合算法設計、管理中心軟件設計等幾部分組成[7]，各部分設計如下。

傳感器節點作為系統的采集終端，主要完成的任務有：采集現場信息、傳輸本機數據、等待主機命令。其軟件設計流程的實現如圖2所示。

圖2? 傳感器節點軟件設計流程

控制中心多個傳感器數據相互融合，設計網關的運算流程如下。

Step 1：對接收到的多個傳感器節點的信息進行處理，單個傳感器節點不同時間點的參數估計值運用alman遞歸濾波算法，傳感器初始的數據建立誤差方陣，通過遞歸公式推算出t時刻的誤差方陣，算出mintrace的Pk時刻k。

Step 2：從初始值采用遞歸算法，計算t時刻的數值yt，再結合上面Step 1計算出的結果，確定k時刻最小值pk，并計算其最佳比例權重。

Step 3 ：估計精度差或發散的數據，采用最優比例權重法加權，根據其加權平均值，再計算加權后的狀態估計值。

Step 4：各個傳感器節點的方差結合融合權重，融合Step 3中經過加權計算出的各傳感器的狀態估計值，并計算出其融合值。

Step 5：網關數據的融合決策，依據設定的預警閾值，判斷融合后的數據與閾值之間的關系，給出預警等級。

本設計中，管理中心要實現的功能如下：（1）顯示各傳感器的數據。（2）各傳感器節點采集到的數據采用GPRS方式上傳到服務器。（3）將傳感器采集數據保存到SD卡。（4）ZigBee網絡的配置。（5）接收全球移動通信系統發來的短信命令包，并將命令包發送到控制中心中去。（6）完成計算機數據接收相關操作。

4? ? 結語

本文首先分析了無線傳感器網絡中數據采集與控制系統的課題意義，然后結合實際應用開發了一套環境監測與控制系統，完成了該系統的總體硬件和軟件設計。首先分析和設計系統的硬件，分別對監測點模塊、中心協調器模塊、監控中心的硬件結構做了相關分析，包括片溫濕度傳感器、粉塵傳感器、光線傳感器等元件的介紹。然后對軟件開發流程進行了分析，根據系統的功能方案設計，完成了終端節點、協調器節點、監控中心的軟件設計。

[參考文獻]

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[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]胡江.無線傳感器網絡研究現狀及應用[J].技術應用，2015（4）：54-55.

[4]張和平.淺析短距離無線通信技術[J].信息時代，2012（2）：53-54.

[5]胡云.基于ZigBee技術的溫濕度數據采集傳輸系統設計[C].北京：電子信息與電氣工程國際學術會議（EIEE2012），2012.

[6]呂宏，黃釘勁.基于ZigBee技術低功耗無線溫度數據采集及傳輸[J].國外電子測量技術，2012（2）：58-60.

[7]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.Design of environmental quality monitoring system

based on ZigBee wireless sensor network

Ma Aixia， Xu Yin

（College of? Technical， Zhengzhou Technology and Business University， Zhengzhou 450014， China）

Abstract：The wireless sensor network is built with CC2530 module as the core. The collected environmental data such as dust， temperature， humidity and illumination are transmitted to the remote monitoring center. The environmental data is read and stored by the host computer software to realize remote monitoring of environmental parameters. According to the functional design of the system， the software design of the terminal node and the coordinator node monitoring center is completed.

Key words：temperature and humidity; illumination; ZigBee; wireless sensor network