基于ZigBee技術的家居空氣質量檢測系統

阮鈳宇,陸秋藝,陳國俊

(無錫太湖學院 物聯網工程學院,江蘇 無錫 214064)

0 引言

隨著經濟的快速發展,人們對于生活環境的要求不斷提高。以CO和甲醛為主要成分的有害氣體對家庭環境的影響最大。比如,空氣中的甲醛只要達到30 mg/m2就可致人立即死亡,廚房中的CO是引發火災的一大安全隱患。所以能夠快速便捷地檢測出這類氣體非常重要。隨著物聯網技術的迅猛發展,人們在解決這類問題時有了更多的方法。

1 家居空氣質量檢測系統設計

1.1 總體設計

家用空氣質量檢測系統測量的類型不能單一,至少應包含溫濕度檢測、可燃氣體檢測和甲醛氣體的檢測。系統應盡可能從多方面分析家居空氣質量,提高其實用性。

要想有效地開展系統開發、設備控制、數據處理等工作,需要持續地對監測系統進行更新和完善,利用高效率的功能模塊和可視化操作界面來實現良好的人機交互功能,進而使用戶對家庭環境監測的個性化要求得到滿足。

本研究設計的家用空氣質量檢測系統目標包括:數據傳輸速率快,實時報警和刷新液晶屏顯示內容,即延時長,傳輸容量小,功耗低,抗干擾能力強,支持電池供電。技術指標包括污染氣體參數、測量精度、無線傳輸距離、工作范圍等。該系統利用ZigBee無線傳輸技術發送節點信息至接收板,使系統具有靈活性、易操作性及拓展便捷性[1]。

1.2 功能設計

增強用戶體驗一直是本設計關注的重點。倘若用戶想要對多個檢測點進行參數檢測,只需依據星形拓撲擴展ZigBee的節點,增加傳感器即可。通常ZigBee的節點不止一個,將包含傳感器的一個或多個節點放置于檢測點,收集室內的CO、甲醛、溫濕度參數值,節點數量越多,對空氣的污染參數檢測數據越多,用戶的體驗就越好。

本設計不需要連接電腦,也無需編寫上位機程序,只要利用接收板的CC2530芯片對數字信息進行處理,再通過軟件算法將參數值進行換算并與設置閾值一一比對,即可了解空氣質量,大大簡化了用戶操控步驟。本設計采用ZigBee的無線傳輸技術,將節點處的信息發送至接收板。用戶只要將檢測板和接收板保持在傳輸范圍內,就可以任意擺放系統的位置,做到檢測地點和觀測地點的隨意變動。接收端擴展有彩色液晶屏,用于實時顯示處理后的數據,以圖像加文字直觀地展示給用戶。本系統還安裝蜂鳴報警,用戶不用時刻盯著液晶屏,一旦檢測數值超出閾值,系統就會產生蜂鳴報警,提醒用戶采取措施[2]。系統基本功能如圖1所示[3]。

圖1 系統基本功能

根據系統的環境監測功能需求分析,本系統性能至少做到以下幾點:(1)室內10 m檢測范圍內精確快速響應,確保污染氣體濃度檢測精度符合家用級的標準。(2)液晶顯示與蜂鳴器報警處于隨時應答狀態。(3)無線通信傳輸保持穩定傳輸狀態,具有較好的穩定性。

2 系統硬件設計

本設計主要使用了CC2530芯片。CC2530是一個多模無線SoC芯片,具有CPU與內存模塊、外圍設備、時鐘與電源管理模塊以及無線信號收發模塊。該芯片基于工業標準的8051CPU,其性能是普通8051芯片的8倍,具有豐富的中斷源和中斷控制器,不僅具有8 kB的SRAM和32～256 kB的閃存塊,還集成了IEEE 802.15.4相兼容的無線收發器[4]。

2.1 CC2530最小系統設計

該系統的核心部分包括復位電路、晶振電路和去耦電容電路。復位電路用于確保系統穩定工作,CC 2530為低電平復位有效。晶振電路為系統提供頻率基準,CC2530支持多個晶振選項,包括內部晶振和外部石英晶振。去耦電容電路用于降低電源電壓波動對電路的影響。CC2530典型應用關系如圖2所示。

圖2 CC2530典型應用關系

2.2 CC2530優良特性

CC2530具有優良的特性,包括供電電壓范圍廣、工作環境溫度范圍寬、功耗低、高速處理能力、抗干擾能力強等。它的引腳功能包括模擬電源引腳、數字電源引腳、地線引腳以及多個數字和模擬I/O口。

2.3 檢測板和接收板模塊介紹

接收板和檢測板是對CC2530最小系統進行擴展的模塊。檢測板包括溫濕度傳感器、甲醛傳感器和CO傳感器,用于數據采集和無線傳輸。接收板包括液晶顯示模塊、按鍵模塊和報警模塊,用于人機交互和顯示環境信息。液晶顯示模塊采用SPI接口;按鍵模塊通過單獨的按鍵與CC2530連接;報警模塊通過蜂鳴器實現警報功能。

整個系統的硬件電路包括核心板電路和外圍模塊電路。核心板電路包括CC2530最小系統和降壓電路;外圍模塊電路包括USB轉TTL電路、報警電路、按鍵電路和LCD顯示電路。

總的來說,CC2530最小系統具有豐富的功能和靈活的擴展性,適用于無線傳感器網絡等[5]。

3 系統軟件設計

3.1 Z-STACK協議棧

Z-STACK是一種用于ZigBee網絡的協議棧。它提供了各層協議的具體實現和接口。TI公司的Z-STACK協議棧是針對CC2530開發的ZigBee協議棧,用于構建無線網絡。Z-STACK工作流程如圖3所示。

圖3 Z-STACK工作流程

3.2 協調器和終端程序設計

在Z-STACK應用程序中,用戶通過調用不同的功能函數來構建自己的網絡。協議棧已經被封裝好,用戶只需了解函數參數的含義并根據需求調用相應的函數。

在協調器程序設計中,調用網絡組建函數和輪轉系統任務,實現按鍵程序和報警程序。作為網絡核心的協調器負責建網和初始化模塊。按鍵程序與報警程序是實現具體功能的關鍵。

在終端程序設計方面,終端設備主要負責傳感器數據的收集和處理。以溫濕度傳感器和甲醛傳感器為例,本文介紹了其工作原理和程序設計流程,同時也提到了AD轉換的過程和數據傳輸的方式。

總體而言,本文通過闡述Z-STACK協議棧的使用和CC2530上的應用以及對協議棧與應用程序設計的講解,為軟件設計提供了參考與啟發,對系統性能和可行性具有重要影響。

4 系統測試

節點入網和傳感器模塊測試主要描述了節點入網測試和傳感器模塊測試的過程。首先,節點入網測試闡述了檢測板和接收板的供電情況以及協調器組網的指示燈閃爍和液晶顯示屏顯示協調器唯一地址符(PAN ID)的情況。其次,傳感器模塊測試涵蓋了溫濕度模塊、甲醛模塊和CO模塊的性能測試。在溫濕度模塊測試中,通過記錄不同時間段的溫度和濕度值,驗證系統的準確性和響應能力。甲醛模塊測試則利用MQ-138傳感器,測試甲醛含量在不同場景下的數值以及開窗透氣對甲醛含量的影響。CO模塊測試通過CO傳感器檢測不同地點的CO含量,包括臥室、廚房和戶外的測試結果。最后,報警與按鍵模塊測試涉及調整閾值和模擬污染場景,觀察液晶顯示屏上的閾值變化以及接收板和檢測板的蜂鳴器是否會觸發報警。通過這些測試,驗證了硬件系統的功能和性能。

5 結語

本文提出一種高效可行的基于ZigBee技術的家居空氣質量檢測系統設計方案。通過實踐檢驗,該系統能夠精確測量并獲取室內有害氣體信息,實時傳遞數據到監測設備,實現了家居環境智能化監測。該系統測量精準、實時性好、價格低廉,與傳統監測系統相比具有顯著優勢,顯示出較好的應用價值,具有推廣應用的前景。