許東輝, 郭秀娟

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 引言

室內(nèi)環(huán)境是影響生產(chǎn)和居民生活質(zhì)量的重要因素。無(wú)論是生產(chǎn)車間、設(shè)備間還是高端住宅，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸多采用有線通信，有線通信存在成本較高、布線繁瑣、系統(tǒng)擴(kuò)展性能差、線路老化快、抗干擾能力差等問(wèn)題[1]；數(shù)據(jù)顯示通常采用LCD、OLED等顯示屏，數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容有限，并且受空間的限制用戶不能隨時(shí)隨地的查看室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。文章設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)DHT11和MQ-2多個(gè)終端傳感器采集室內(nèi)溫濕度與煙霧濃度，通過(guò)ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器板載的Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，將測(cè)得的溫度濕度及煙霧濃度數(shù)據(jù)在Web網(wǎng)頁(yè)上顯示。用戶可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)查看室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并在云平臺(tái)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行調(diào)整，在室內(nèi)有害氣體濃度或者溫濕度超出閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒采取措施。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由下位機(jī)與上位機(jī)組成。下位機(jī)包括終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器組成，上位機(jī)采用阿里云平臺(tái)。上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)交互通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)完成，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信采用ZigBee自組網(wǎng)進(jìn)行雙向通信。終端節(jié)點(diǎn)用來(lái)采集室內(nèi)溫濕度及煙霧濃度數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器用來(lái)匯集終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，ZigBee協(xié)調(diào)器搭載了ESP8266 Wi-Fi模塊與云平臺(tái)進(jìn)行通信，將終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)；云平臺(tái)用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示。系統(tǒng)采用阿里云平臺(tái)，應(yīng)用阿里云平臺(tái)的IoT Studio工具創(chuàng)建數(shù)據(jù)顯示界面，可通過(guò)云平臺(tái)設(shè)置室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的閾值，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，用戶及管理人員可以及時(shí)得知室內(nèi)環(huán)境情況，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用于室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器均安裝于室內(nèi)，傳輸距離較近，因此采用TI公司最新的第二代片上系統(tǒng)CC2530，該芯片的傳輸距離為400 m以上，完全適用于室內(nèi)。CC2530是德州儀器公司推出針對(duì)IEEE 802.15.4協(xié)議和ZigBee和RF的解決方案，能夠在此芯片的基礎(chǔ)上用極低的成本構(gòu)建出強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，并且CC2530芯片的工作溫度范圍在-40 ℃～125 ℃可以適用于多種不同的溫度情況，也可以應(yīng)對(duì)突變的溫度環(huán)境。同時(shí)，此芯片內(nèi)置強(qiáng)大的ZigBee協(xié)議棧，ZigBee協(xié)議棧是將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供API(應(yīng)用程序編程接口)，用戶可以直接調(diào)用[2]。通過(guò)使用ZigBee協(xié)議棧來(lái)使用ZigBee協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，Zigbee協(xié)議棧是構(gòu)建ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，僅需要很少的外圍電路就能構(gòu)成ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。工作模式下，ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短。在非工作模式情況下，ZigBee的節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。由于工作時(shí)間較短，收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，減少了功耗延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。CC2530芯片電路如圖2所示。

圖2 CC2530電路圖

2.2 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中,室內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)由DHT11數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集。DHT11由一個(gè)八位高性能單片機(jī)傳感器及與其連接的電阻式濕度傳感器、NTC測(cè)溫元件構(gòu)成。具有抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間短，可靠性強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[3]。DHT11傳感器在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后將校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中。以便于在傳感器內(nèi)部檢測(cè)時(shí)調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)[4]。傳感器采用單線制的串行接口，擁有簡(jiǎn)易快捷的優(yōu)勢(shì)。微處理器和DHT11之間的數(shù)據(jù)通信采用單數(shù)據(jù)總線傳輸方式，僅采用一根數(shù)據(jù)線即可滿足通信要求，節(jié)省了單片機(jī)上的I/O口資源。溫度傳感器與單片機(jī)連接的電路如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器

圖4 煙霧傳感器

2.3 煙霧傳感器設(shè)計(jì)

煙霧傳感器采用MQ-2傳感器。MQ-2傳感器是一款技術(shù)成熟應(yīng)用范圍廣的傳感器，在家庭和工廠中被廣泛采用，MQ-2由二氧化錫組成，MQ-2的敏感材料是活性很高的SnO2，其工作原理為：當(dāng)SnO2在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，SnO2會(huì)吸附空氣中的氧，其電子會(huì)轉(zhuǎn)移到所吸附的氧上，導(dǎo)致氧原子變?yōu)檠踟?fù)離子，由于這種電子的轉(zhuǎn)移，會(huì)在SnO2表面生成一個(gè)正的空間電荷層，從而導(dǎo)致表面勢(shì)壘升高，這樣會(huì)阻礙電子流動(dòng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化[5]。室內(nèi)安裝時(shí)一般將煙感傳感安放在廚房燃?xì)庑孤栋l(fā)生率比較高的地方。煙霧傳感器與單片機(jī)連接的電路如圖4所示。

2.4 ESP8266模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中下位機(jī)與上位機(jī)之間的通訊是通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)選擇ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)Wi-Fi通信功能。ESP8266模塊是低功耗Wi-Fi芯片，集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧和MCU。

ESP8266模塊芯片是基于無(wú)線通信協(xié)議的UART-Wi-Fi透?jìng)髂K芯片，支持802.11b/g/n的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，并帶有三種可選擇的工作模式：STA、AP、STA+AP，比較適合家居環(huán)境使用[6]。ESP8266模塊的控制是通過(guò)AT(Attention)指令(終端與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信功能的指令)的形式控制，通過(guò)串口助手可以實(shí)現(xiàn)ESP8266模塊與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。且該模塊的工作溫度范圍大，且能夠保持穩(wěn)定的性能，能適應(yīng)各種操作環(huán)境。ESP8266模塊通信原理圖如圖5所示。

圖5 ESP8266模塊原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要分為下位機(jī)軟件及上位機(jī)軟件，其中，下位機(jī)軟件包括ZigBee自組網(wǎng)及ESP8266模塊軟件設(shè)計(jì)；上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)為阿里云平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

3.1 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee自組網(wǎng)主要完成終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間數(shù)據(jù)交互。包括系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的初始化，ZigBee協(xié)議的初始化。終端節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)上電后進(jìn)行主控芯片及傳感器的初始化，并尋找可用信道，當(dāng)成功加入可用網(wǎng)絡(luò)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)議發(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)上電后完成主控芯片初始化，并組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到可用信道時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)指定一個(gè)PAN ID和16位網(wǎng)絡(luò)地址，PAN ID范圍為0x0000～0x3FFF，協(xié)調(diào)器的地址通常為0x0000信道為11～26[7]。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只有協(xié)調(diào)器允許的設(shè)備才可能加入網(wǎng)絡(luò)并及時(shí)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的室內(nèi)溫濕度及煙霧濃度數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。

系統(tǒng)中ZigBee所選擇的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR軟件8.1版本，軟件本身對(duì)多種語(yǔ)言兼容，程序?qū)C2530芯片適配性，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建提供了強(qiáng)有力的支持。采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，因?yàn)閆igBee協(xié)議棧為半開(kāi)源協(xié)議棧，用戶可以在TI公司的官網(wǎng)免費(fèi)下載全部權(quán)限的ZStack-CC2530軟件安裝，在每個(gè)應(yīng)用層中添加開(kāi)發(fā)者所需要的代碼就可以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的搭建，節(jié)省了組網(wǎng)的時(shí)間成本。ZigBee組網(wǎng)程序流程如圖6所示。

圖6 ZigBee自組網(wǎng)程序流程圖

3.2 ESP8266模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器通過(guò)ESP8266模塊與阿里云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，ESP8266模塊與云平臺(tái)之間需要建立TCP連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，文章利用串口助手通過(guò)AT指令建立ESP8266模塊與云平臺(tái)之間的連接，通過(guò)AT指令配置ESP8266無(wú)線模塊，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與阿里云平臺(tái)的TCP連接及數(shù)據(jù)傳輸[8]。ESP8266模塊程序流程如圖7所示。

圖7 ESP8266模塊程序流程圖

3.3 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)采用阿里云平臺(tái)，通過(guò)阿里云平臺(tái)的IoT Studio工具完成Web界面的建立。利用該工具，只需在編輯框內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，配置數(shù)據(jù)源，最后發(fā)布即可完成Web界面的創(chuàng)建，然后ESP8266可以將終端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，通過(guò)Wi-Fi無(wú)線傳輸?shù)皆破脚_(tái)，管理人員和用戶可以通過(guò)阿里云平臺(tái)賬戶登錄進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，無(wú)需用戶自主搭建App，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。Web界面如圖8所示。

圖8 Web界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試好之后隨機(jī)采取某天不同時(shí)刻的溫度與物理測(cè)試的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，詳情見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)表

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，比較系統(tǒng)顯示值和實(shí)際測(cè)量值之間的誤差，經(jīng)過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的誤差率控制在0.6%以下，能滿足對(duì)日常生產(chǎn)生活的使用，滿足系統(tǒng)的最初設(shè)定。

5 結(jié)論

基于ZigBee的室內(nèi)溫濕度與煙霧信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，消除了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)有線方式通訊的弊端，管理人員及用戶可在云平臺(tái)Web網(wǎng)頁(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，為生產(chǎn)生活提供了便利。