路佳宣+王培錦+王薦鈞+孫宇航

摘 要：基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一個環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)小范圍內(nèi)環(huán)境信息等參數(shù)的采集和推送。系統(tǒng)首先利用各種傳感器采集溫度、濕度、PM2.5等環(huán)境參數(shù)，然后由各終端節(jié)點通過2.4 G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中央?yún)f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)封裝匯總，并通過USB串口傳送到上位機。最后，上位機再通過一個友好的發(fā)送界面將收集到的信息通過互聯(lián)網(wǎng)推送給需要的手機用戶。這樣不僅實現(xiàn)了通過Internet傳遞到所有注冊的用戶手機，同時還實現(xiàn)了低成本、大用戶量的信息傳遞。

關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感器；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境實時監(jiān)測

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-04

0 引 言

我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測以往以市為單位進行評估測量，但在一些城市內(nèi)，高度污染區(qū)往往集中出現(xiàn)在一些小范圍內(nèi)，如一些工廠聚集區(qū)等，而在另一些地方則明顯低于城市平均水平。鑒于國外發(fā)達國家，如美國將空氣質(zhì)量監(jiān)測點位類型分為6類：區(qū)域內(nèi)污染物最大濃度點位、高人口密度區(qū)典型濃度監(jiān)測點位、污染源監(jiān)控點、背景濃度點、污染物輸送監(jiān)控點、生態(tài)影響監(jiān)控點位，可見其涉及的是較小范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測，這將使得監(jiān)測更精確和人性化。為此，本項目采用ZigBee技術(shù)對小范圍（如校園、居民區(qū)等）的PM2.5、溫濕度等空氣質(zhì)量指數(shù)進行實時監(jiān)測，方便人們了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量，使生活更加智慧、舒適和健康。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本項目主要以ZigBee無線發(fā)送模塊為依托，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成。節(jié)點采用模塊化的設(shè)計思想，主要包括微處理器模塊、無線射頻模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊。終端節(jié)點通過各種傳感器測量環(huán)境數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并通過無線收發(fā)芯片發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)和加入節(jié)點，并將傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC機，從而進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)的總體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 終端節(jié)點

終端節(jié)點主要由信號傳感器電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、CC2530微處理器和射頻電路組成，如圖2所示。傳感器電路實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的提取， A/D 轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成微處理器可接收的數(shù)字信號，CC2530微處理器按照時序讀取傳感器電路中的數(shù)據(jù)，最后各終端節(jié)點定時將傳感器采集的信息以無線數(shù)據(jù)包的形式通過2.4 GHz天線發(fā)射給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集主要通過各種傳感器來完成，同時將采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理?？刂菩酒珻C2530根據(jù)各種傳感器的時序和使用方法來讀取采集的信號。傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器，采集的信號分別為模擬信號和數(shù)字信號。模擬傳感器發(fā)出的是連續(xù)信號，用電壓、電流、電阻等表示被測參數(shù)的大小。數(shù)字傳感器是指將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號的傳感器。

對溫濕度參數(shù)的采集選擇DHT11傳感器。這種傳感器較一般濕度傳感器有顯著優(yōu)勢：靈敏度高、功耗低，便于實現(xiàn)小型化、集成化。對DHT11的數(shù)據(jù)采集通過P1_1管腳按時序來讀取數(shù)字信號，DHT11每隔4 ms左右發(fā)出一次單總線數(shù)據(jù)，每次共40位數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。然后控制芯片按照單總線格式發(fā)送命令和讀取數(shù)據(jù)即可。對PM2.5的監(jiān)測采用夏普原裝GP2Y1010AU0F顆粒灰塵傳感器，它屬于光學(xué)傳感器，由一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對角布置成允許其檢測到空氣中的灰塵反射光。

1.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要任務(wù)是組建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、允許終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、綁定終端節(jié)點、對各個終端節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)進行封裝匯總，并通過串口傳輸給上位機進行分析處理，如圖2所示。

圖2 ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點

1.3 無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

根據(jù)802.15.4協(xié)議進行ZigBee組網(wǎng)，小范圍環(huán)境監(jiān)測所需的終端節(jié)點較少，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可；而當(dāng)所需傳感器終端節(jié)點較多時，網(wǎng)絡(luò)中可以視情況配置相應(yīng)的路由器。路由器節(jié)點一方面作為終端采集環(huán)境信息，另一方面也可作為通信中繼，將遠端節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器采用持續(xù)電源供電，傳感器終端節(jié)點采用電池供電，所有的終端節(jié)點之間均不通信，終端節(jié)點只與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信。

協(xié)調(diào)器節(jié)點啟動后，應(yīng)用層（APL層）發(fā)送請求原語給網(wǎng)絡(luò)層（NWK層）開始建立網(wǎng)絡(luò)。然后，MAC 層接收到網(wǎng)絡(luò)層（NWK 層）的請求和命令后，將發(fā)送對應(yīng)的原語給物理層（PHY 層），將對默認(rèn)和要求信道進行能量檢測掃描。信道掃描完成后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將接收到能量掃描的結(jié)果，并選出滿足能力水平的信道。之后，協(xié)調(diào)器管理實體將會檢查PAN標(biāo)識符，并且查找最小編號的信道，即為新建網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)信道。如果找到合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實體則會為新建網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的PAN標(biāo)識符，表明已經(jīng)成功建立網(wǎng)絡(luò)；否則，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將終止建網(wǎng)過程，并通過原語向應(yīng)用層發(fā)送建網(wǎng)失敗信息。成功建網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，如果發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備掃描信道就會響應(yīng)并聲明它的存在，從而可以保證每個網(wǎng)絡(luò)PAN ID的唯一性，也有利于路由器和終端加入網(wǎng)絡(luò)。PAN_ID是一個用來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)唯一性和存在性的16位標(biāo)識符，范圍從0x0000-0xffff。每個網(wǎng)絡(luò)都具有唯一的PAN ID，也對應(yīng)一個唯一的傳輸信道。Z_Stack協(xié)議棧通過配置fSwConfig.cfg文件中DZDAPP_CONFIG_PAN_ID的值來配置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID。如果DZDAPP_ CONFIG_PAN_ID設(shè)置為0xffff，則協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)時會隨機生成一個PAN ID；如果DZDAPP_ CONFIG_PAN_ID不是設(shè)置為0xffff，則協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)時的 PAN ID 由 DZDAPP_ CONFIG_PAN_ID 指定。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖3所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點先進行信道能量監(jiān)測、信道掃描，然后選擇信道、PAN_ID和網(wǎng)絡(luò)地址，然后建立網(wǎng)絡(luò)。

成功建立并組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器進入輪詢狀態(tài)。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)之后，其他普通節(jié)點想要加入網(wǎng)絡(luò)，就會使用 NLME_NETWORK_ DISCOVERY.request 原語來檢測在特定的信道上是否有協(xié)調(diào)器，一旦發(fā)現(xiàn)在特定的信道上有協(xié)調(diào)器，它會開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求。當(dāng)協(xié)調(diào)器接到節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求，并確認(rèn)信息正確后，就會允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。在一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，它就與允許讓它加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間形成一個父子關(guān)系，新設(shè)備為子設(shè)備，而允許讓其加入的設(shè)備為父設(shè)備。星型網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器就是父設(shè)備，終端節(jié)點就是子設(shè)備。一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，父設(shè)備會發(fā)送給子設(shè)備一個 16 位的短地址以及整個網(wǎng)絡(luò)的其他一些網(wǎng)絡(luò)描述參數(shù)。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的握手示意圖如圖4所示。

圖3 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程圖 圖4 節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)握手示意圖

2 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用一種簡單的策略，即一個終端節(jié)點設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一系列認(rèn)證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個終端節(jié)點設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。圖5和圖6分別描述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件運行流程圖。

圖5 終端節(jié)點軟件實現(xiàn)流程圖

終端傳感器節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)以后，每隔一定的周期采集、讀取周圍環(huán)境溫度、濕度值以及灰塵濃度值，并且把數(shù)據(jù)打包后傳輸給協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，將會進入到相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)。協(xié)調(diào)器將對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，來提取有用信息。協(xié)調(diào)器的PHY層、MAC層以及NWK層均會將接收的數(shù)據(jù)除去同步頭指針和本層協(xié)議頭指針后將數(shù)據(jù)上傳給上一層，最終將數(shù)據(jù)傳遞到APL層。由于在協(xié)議棧中已經(jīng)將相應(yīng)的接收函數(shù)進行了封裝，在使用時只需調(diào)用接收函數(shù)，讀取數(shù)據(jù)即可。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件實現(xiàn)流程圖

3 管理中心用戶界面的建立

在本項目中整個系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)是上位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，也是最重要的部分。通過上位監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與 PC 機的連接，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)最終匯集到后臺數(shù)據(jù)庫進行存儲，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的監(jiān)測管理和數(shù)據(jù)的實時傳輸、分析、處理等功能，并在后臺計算機的用戶界面上將最終處理的結(jié)果以圖形的形式顯示出來， 實時反映被測區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量變化，為用戶提供第一手環(huán)境資料。

在本項目中，我們選擇了Microsoft Visual VC++6.0作為監(jiān)控軟件的開發(fā)平臺，通過基于Windows操作系統(tǒng)的可視化編程實現(xiàn)用戶界面的建立，該環(huán)境監(jiān)控界面包括串口通信功能、數(shù)據(jù)庫查詢功能以及動態(tài)圖表的顯示功能。

ZigBee協(xié)調(diào)器將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過通信線傳送到計算機的COM口，計算機再通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的串口通信程序?qū)?shù)據(jù)接收上來，并在該串口通信程序中利用ADO數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)將數(shù)據(jù)存放到Access數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫能將本系統(tǒng)所采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進行保存，供以后查詢、檢索等使用。

3.1 串口通信的實現(xiàn)—MSComm控件

串口通信程序是在VC++6.0的環(huán)境下利用ActiveX控件MSComm實現(xiàn)的。MSComm 控件是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。具體來說，它提供了兩種處理通信問題的方法：一是事件驅(qū)動方法，一是查詢方法。

本項目采用MSComm控件的事件驅(qū)動方式進行通信處理。事件驅(qū)動通訊是處理串行端口信息交互的一種非常有效的方法，因為在很多情況下用戶希望每個事件發(fā)生后都會產(chǎn)生一個觸發(fā)事件。例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符時，可以利用 MSComm 控件的 OnComm 事件捕獲并處理這些通訊事件。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的優(yōu)點是程序響應(yīng)及時，可靠性高。然后通過設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位，從串口正確接收要存儲的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫—ADO數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)

ADO（ActiveX Data Objects）是一種程序?qū)ο螅糜诒硎居脩魯?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所包含的數(shù)據(jù)。它是Microsoft為最新和最強的數(shù)據(jù)訪問范例OLE DB而設(shè)計的，是一個基于組件的數(shù)據(jù)庫編程接口，它是一個和編程語言無關(guān)的COM組件系統(tǒng)。其主要特點是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小，同時又減少了ODBC、DAO中必需的、繁瑣的數(shù)據(jù)源驅(qū)動的建立過程。利用 ADO對象以及ADO的附加組件（稱為Microsoft ADO Extensions for DLL and Security（ADOX））來創(chuàng)建或修改表和查詢、檢驗數(shù)據(jù)庫，或者訪問外部數(shù)據(jù)源。還可在代碼中使用ADO來操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

在項目中，我們使用了Access數(shù)據(jù)庫，分別為每個傳感器節(jié)點創(chuàng)建對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，并利用ADO數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)建立與Access數(shù)據(jù)庫的連接，將接收到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)按照不同的節(jié)點，實時存放到Access數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。同時通過調(diào)用它的表，進行數(shù)據(jù)的寫入和修改。

3.3 動態(tài)圖表顯示—Teechart控件

本項目使用Teechart控件來實現(xiàn)動態(tài)圖表的顯示功能。TeeChart Pro ActiveX是一個圖表控件，適用于可識別ActiveX的編程環(huán)境，如：MicroSoftOffice，VB，VC++，ASP以及.NET 等等。該控件的結(jié)構(gòu)和特征功能集是通過與客戶多年的交互式開發(fā)建立起來的，所以說它是一個強大的圖表控件，能夠給用戶提供極其高效、直觀、節(jié)省時間的編程接口。TeeChart Pro ActiveX控件能夠在多種編程環(huán)境中提供大量的返回信息。

4 系統(tǒng)整體測試

本項目目前在實驗室測試情況良好，可以應(yīng)用于室內(nèi)和室外環(huán)境的監(jiān)控，而且在實驗室測試中，PM2.5值以及溫濕度條件發(fā)生變化時在計算機的監(jiān)控界面上可以明顯地觀測出當(dāng)前節(jié)點數(shù)據(jù)的變化。所以本項目成果在基本的環(huán)境條件下可以完成環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控功能，并且能夠很方便地對存儲環(huán)境信息的數(shù)據(jù)庫進行查詢，操作界面簡單、清晰，功能強大。圖7為實驗室監(jiān)測系統(tǒng)的運行圖。

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)整體運行圖

5 結(jié) 語

本項目建立了一個基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時地向上位機的環(huán)境監(jiān)測軟件傳送環(huán)境參數(shù)信息（溫度、濕度、PM2.5值等），使得用戶可以方便查詢周圍的環(huán)境信息。完成了PM2.5的監(jiān)測，使人們能夠通過數(shù)據(jù)直觀地了解到霧霾天氣的情況，以便在霧霾天氣做好相應(yīng)的防護措施，合理安排健身時間，健康綠色的生活；實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合，將多種環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)一處理，匯總在一個數(shù)據(jù)包中進行發(fā)送和接收；用戶界面合理友好、功能強大。用戶可以方便快捷地對環(huán)境質(zhì)量信息進行監(jiān)測和查詢。而且該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的擴展性和移植性很強。系統(tǒng)構(gòu)建簡單，站點擴充容易，而且只需很小的改動便可以很好的應(yīng)用于其他需要對環(huán)境進行監(jiān)控的領(lǐng)域，實現(xiàn)信息的實時監(jiān)控功能，方便人們的工作和生活，有較為廣泛的用途。

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