朱恒軍，張玉龍，靳 展，劉文禮

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006）

0 引言

甲醛是一種致癌、致畸物質(zhì)，但其作為重要的有機(jī)原料以其低廉的價(jià)格在家裝建材中的應(yīng)用卻無處不在，而且室內(nèi)裝修材料中的甲醛釋放期通常在3～15年左右[1]。天然氣、液化氣作為燃?xì)庖云浣?jīng)濟(jì)實(shí)用、即開即用、省時(shí)方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在人們的生產(chǎn)和生活中也得到了廣泛的應(yīng)用[2]。然而，人們?cè)谙硎芸萍紟肀憷耐瑫r(shí)，也承擔(dān)著潛在的難以估量的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來由室內(nèi)甲醛含量超標(biāo)和天然氣、液化氣泄露爆炸引起的人身傷害案例枚不勝舉，甲醛超標(biāo)和燃?xì)庑孤秲叭怀蔀槲：θ藗兩?cái)產(chǎn)安全的隱形殺手。因此，針對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境安全的監(jiān)控變得愈發(fā)重要，相應(yīng)研究也在各研究機(jī)構(gòu)逐漸展開[3-5]。ZigBee技術(shù)作為短距離無線通信技術(shù)[6-7]，以其低成本、低功耗、自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，尤其伴隨著ZigBee 2007協(xié)議的逐漸成熟，其在智能家居和商業(yè)樓宇自動(dòng)化方面的應(yīng)用前景越來越大[8-10]。本文基于此提出并設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，用以檢測(cè)燃?xì)庑孤逗图兹舛瘸瑯?biāo)等安全隱患，旨在保障人民人身及財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由中控中心、終端傳感器節(jié)點(diǎn)及控制部分、顯示輸出及聲光報(bào)警部分組成。系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

附載有燃?xì)鈧鞲衅骱图兹﹤鞲衅鞯亩斯?jié)點(diǎn)在采集到有燃?xì)庑孤痘蚣兹┏瑯?biāo)的情況下，通過本節(jié)點(diǎn)的CC2530控制器控制燃?xì)忾y門的關(guān)閉、排風(fēng)扇的開啟，同時(shí)將燃?xì)庑孤痘蚣兹┏瑯?biāo)這一事件以自定義的幀格式通過Z-Stack協(xié)議棧無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器端的CC2530；然后其通過串口發(fā)送給STM32，STM32經(jīng)過分析幀格式做出相應(yīng)處理，通過LCD液晶顯示燃?xì)庑孤?、甲醛超?biāo)等信息并產(chǎn)生聲光報(bào)警。另外，協(xié)調(diào)器端可以通過按鍵向端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信息，像遙控器一樣控制天然氣閥門及排風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中控中心采用STM32F103C8T6為主控制器，STM32F103增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為 72 MHz，具有豐富的片上資源和多種標(biāo)準(zhǔn)通信I/O接口。

作為協(xié)調(diào)器端的主控制器，STM32F103C8T6主要擔(dān)負(fù)著協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)的職責(zé)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和液晶顯示。STM32F103C8T6與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過PA9與PA10引腳與作為協(xié)調(diào)器的CC2530芯片的P0_1和P0_2端口相連，在實(shí)際編程操作時(shí)，需通過配置相應(yīng)函數(shù)及寄存器設(shè)置PA9與PA10為串口模式。LCD液晶顯示端口采用STM32的PB組IO驅(qū)動(dòng)。

2.2 端節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器端都采用CC2530F256芯片作為控制器，其是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案[11]。整合了全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器、8 KB的RAM和其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，具有18個(gè)中斷源、兩個(gè)Uart串口收發(fā)器，內(nèi)置ADC并支持7到12位的分辨率，能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530的最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

端節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)采用MQ-2氣敏傳感器、MQ-138甲醛傳感器采集數(shù)據(jù)，MQ系列傳感器以其高靈敏度特性、價(jià)格低廉及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)廣泛適用于家庭和工廠的氣體監(jiān)測(cè)。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

如圖所示，MQ-X傳感器可以直接輸出模擬信號(hào)，經(jīng)過LM393雙電壓比較器之后輸出數(shù)字信號(hào)，可以直接與CC2530芯片I/O引腳相連，通過調(diào)節(jié)電位器R調(diào)節(jié)傳感器靈敏度，通過檢測(cè)端口電平實(shí)現(xiàn)氣體預(yù)警檢測(cè)。如需檢測(cè)較高精度的濃度信息，可以使用模擬輸出，通過配置CC2530的APCCFG寄存器配置P0口為模擬輸入口，同時(shí)配置ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3相應(yīng)寄存器，便可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)12位分辨率的高精度A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中，端節(jié)點(diǎn)的傳感器檢測(cè)信號(hào)采用DOUT與CC2530的P2_0端口相連。

圖2 CC2530的最小系統(tǒng)

圖3 MQ-X傳感器驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee芯片CC2530的開發(fā)采用軟件IAR Embedded Workbench IDE，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于TI ZStack-CC2530-2.5.1a版本協(xié)議棧，綜合考量室內(nèi)環(huán)境的空間布局，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建WSN(Wireless Sensor Networks)網(wǎng)絡(luò)[12]。

3.1 Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)概述

Z-Stack協(xié)議棧利用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。協(xié)議棧程序流程圖如圖4所示。

圖4 Z-Stack協(xié)議棧程序流程圖

Z-Stack協(xié)議棧中有 3個(gè)變量至關(guān)重要：（1）taskCnt變量，保存了任務(wù)的總個(gè)數(shù)；（2）taskEvent指針變量，指向事件表的首地址；（3）taskArr數(shù)組變量，該數(shù)組的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，指向事件處理函數(shù)。在針對(duì)Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)時(shí)，要理解協(xié)議棧中每個(gè)文件夾的功能，同時(shí)需要對(duì)3個(gè)變量的意義有清楚的認(rèn)知，學(xué)會(huì)調(diào)用協(xié)議棧提供的一些函數(shù)接口，能夠在協(xié)議棧相應(yīng)文件中的合適位置添加或改動(dòng)程序。

針對(duì)Z-Stack協(xié)議棧的開發(fā)步驟是：(1)在osalInitTasks()函數(shù)中添加任務(wù)號(hào)；(2)將事件處理函數(shù)指針添加到pTaskEventHandlerFn tasksArr[]的最后，因?yàn)?tasksEvents和tasksArr[]里的順序是一一對(duì)應(yīng)的，tasksArr[]中的第 i個(gè)事件處理函數(shù)對(duì)應(yīng)于tasksEvents中的第i個(gè)任務(wù)的事件；(3)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要編寫事件處理函數(shù)，處理硬件設(shè)置與事件邏輯。

節(jié)點(diǎn)上電以后，協(xié)議棧通過HalDriverInit()和osal_init_system()等函數(shù)對(duì)軟硬件初始化，然后進(jìn)入函數(shù)osal_start_system()中，程序不會(huì)再返回。在此函數(shù)中檢測(cè)是否有事件發(fā)生，并在 SampleApp_ProcessEvent(uint8 task_id,uint16 events)函數(shù)中處理事件。

本設(shè)計(jì)按實(shí)際需要在協(xié)議棧中修改的函數(shù)主要有：(1)MT層串口初始化函數(shù) MT_UartInit()，在該函數(shù)中自定義了串口接受數(shù)據(jù)協(xié)議、串口數(shù)據(jù)控制方式和波特率，通過函數(shù) osal_set_event(SampleApp_TaskID,UART_RX_CB_EVT)設(shè)置了觸發(fā)事件，并把串口回調(diào)函數(shù)指針傳遞給uartConfig.callBackFunc調(diào)用；(2)任務(wù)處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent(uint8 task_id,uint16 events)，通過不同事件的標(biāo)志，做出相應(yīng)的邏輯處理。(3)自定義函數(shù)Sample-App_SPI_SendData(uint8*buf,uint8 len)，處理來自 STM32的串口信息，廣播發(fā)送信息至終端，使終端做出相應(yīng)控制。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的主要功能有：(1)加入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；(2)采集傳感器數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器；(3)接收來自協(xié)調(diào)器的控制指令，完成相應(yīng)任務(wù)。本設(shè)計(jì)中終端節(jié)點(diǎn)全部設(shè)置為路由，當(dāng)路由不再轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)將自動(dòng)退化為終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

端節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過CC2530可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，包括通過控制機(jī)械手臂關(guān)閉燃?xì)忾y門和排風(fēng)扇的開關(guān)等，無需協(xié)調(diào)器的干預(yù)。

3.3 協(xié)調(diào)器端軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的主要功能是：(1)組建網(wǎng)絡(luò)；(2)向串口發(fā)送或從串口接收數(shù)據(jù)。(3)廣播消息。協(xié)調(diào)器端軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.4 程序下載配置與驗(yàn)證

打開IAR Embedded Workbench IDE可以發(fā)現(xiàn)，在workspace功能框上有一個(gè)下拉三角按鈕，點(diǎn)開可以看到有DemoEB、Coordinator、RouterEB 和EndDeviceEB等選項(xiàng)，每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一種設(shè)備類型屬性，通過選擇不同的設(shè)備類型選項(xiàng)來編譯下載程序到CC2530芯片中，這樣就鎖定了該片芯片的設(shè)備類型。

在相應(yīng)的設(shè)備類型下通過option選項(xiàng)里設(shè)置COORDINATOR=0或者1，然后在程序內(nèi)部通過在相應(yīng)程序段或數(shù)據(jù)前使用#ifdefZDO_COORDINATOR或者#ifndef ZDO_COORDINATOR宏定義來使能不同設(shè)備類型的處理函數(shù)。

配置好option對(duì)話框中C/C++compiler菜單中的preprocessor中的Defined sysmbol后，點(diǎn)擊菜單欄中的make圖標(biāo) ，進(jìn)行編譯，之后使用SmartRF04EB下載器連接CC2530，點(diǎn)擊快捷圖標(biāo)Download and Debug 進(jìn)行下載。之后把終端節(jié)點(diǎn)的裝置連接好，并在廚房?jī)?nèi)進(jìn)行了燃?xì)鈧鞲衅鞯哪M測(cè)試，用刨花板、膠合板制作了簡(jiǎn)易盒子對(duì)甲醛傳感器進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

圖6 協(xié)調(diào)器端軟件設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)束語

本文研究的是室內(nèi)空氣環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效預(yù)防燃?xì)庑孤逗图兹┏瑯?biāo)造成的人身財(cái)產(chǎn)損害，具有一定的推廣價(jià)值，經(jīng)濟(jì)潛力巨大。目前系統(tǒng)通過若干結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)空氣中可能出現(xiàn)的主要危害進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并沒有充分發(fā)揮ZigBee技術(shù)的強(qiáng)大功能，還有更多值得被監(jiān)測(cè)的信息需要被監(jiān)測(cè)，需要更多的傳感器結(jié)點(diǎn)加入進(jìn)來。下一步將對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和協(xié)調(diào)器的處理算法進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低功耗、全方位、安全高效的目標(biāo)。

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