基于ZigBee技术的家居空气质量检测系统

时间：2024-05-04

阮钶宇,陆秋艺,陈国俊

(无锡太湖学院物联网工程学院,江苏无锡 214064)

0 引言

随着经济的快速发展,人们对于生活环境的要求不断提高。以CO和甲醛为主要成分的有害气体对家庭环境的影响最大。比如,空气中的甲醛只要达到30 mg/m2就可致人立即死亡,厨房中的CO是引发火灾的一大安全隐患。所以能够快速便捷地检测出这类气体非常重要。随着物联网技术的迅猛发展,人们在解决这类问题时有了更多的方法。

1 家居空气质量检测系统设计

1.1 总体设计

家用空气质量检测系统测量的类型不能单一,至少应包含温湿度检测、可燃气体检测和甲醛气体的检测。系统应尽可能从多方面分析家居空气质量,提高其实用性。

要想有效地开展系统开发、设备控制、数据处理等工作,需要持续地对监测系统进行更新和完善,利用高效率的功能模块和可视化操作界面来实现良好的人机交互功能,进而使用户对家庭环境监测的个性化要求得到满足。

本研究设计的家用空气质量检测系统目标包括:数据传输速率快,实时报警和刷新液晶屏显示内容,即延时长,传输容量小,功耗低,抗干扰能力强,支持电池供电。技术指标包括污染气体参数、测量精度、无线传输距离、工作范围等。该系统利用ZigBee无线传输技术发送节点信息至接收板,使系统具有灵活性、易操作性及拓展便捷性[1]。

1.2 功能设计

增强用户体验一直是本设计关注的重点。倘若用户想要对多个检测点进行参数检测,只需依据星形拓扑扩展ZigBee的节点,增加传感器即可。通常ZigBee的节点不止一个,将包含传感器的一个或多个节点放置于检测点,收集室内的CO、甲醛、温湿度参数值,节点数量越多,对空气的污染参数检测数据越多,用户的体验就越好。

本设计不需要连接电脑,也无需编写上位机程序,只要利用接收板的CC2530芯片对数字信息进行处理,再通过软件算法将参数值进行换算并与设置阈值一一比对,即可了解空气质量,大大简化了用户操控步骤。本设计采用ZigBee的无线传输技术,将节点处的信息发送至接收板。用户只要将检测板和接收板保持在传输范围内,就可以任意摆放系统的位置,做到检测地点和观测地点的随意变动。接收端扩展有彩色液晶屏,用于实时显示处理后的数据,以图像加文字直观地展示给用户。本系统还安装蜂鸣报警,用户不用时刻盯着液晶屏,一旦检测数值超出阈值,系统就会产生蜂鸣报警,提醒用户采取措施[2]。系统基本功能如图1所示[3]。

图1 系统基本功能

根据系统的环境监测功能需求分析,本系统性能至少做到以下几点:(1)室内10 m检测范围内精确快速响应,确保污染气体浓度检测精度符合家用级的标准。(2)液晶显示与蜂鸣器报警处于随时应答状态。(3)无线通信传输保持稳定传输状态,具有较好的稳定性。

2 系统硬件设计

本设计主要使用了CC2530芯片。CC2530是一个多模无线SoC芯片,具有CPU与内存模块、外围设备、时钟与电源管理模块以及无线信号收发模块。该芯片基于工业标准的8051CPU,其性能是普通8051芯片的8倍,具有丰富的中断源和中断控制器,不仅具有8 kB的SRAM和32～256 kB的闪存块,还集成了IEEE 802.15.4相兼容的无线收发器[4]。

2.1 CC2530最小系统设计

该系统的核心部分包括复位电路、晶振电路和去耦电容电路。复位电路用于确保系统稳定工作,CC 2530为低电平复位有效。晶振电路为系统提供频率基准,CC2530支持多个晶振选项,包括内部晶振和外部石英晶振。去耦电容电路用于降低电源电压波动对电路的影响。CC2530典型应用关系如图2所示。

图2 CC2530典型应用关系

2.2 CC2530优良特性

CC2530具有优良的特性,包括供电电压范围广、工作环境温度范围宽、功耗低、高速处理能力、抗干扰能力强等。它的引脚功能包括模拟电源引脚、数字电源引脚、地线引脚以及多个数字和模拟I/O口。

2.3 检测板和接收板模块介绍

接收板和检测板是对CC2530最小系统进行扩展的模块。检测板包括温湿度传感器、甲醛传感器和CO传感器,用于数据采集和无线传输。接收板包括液晶显示模块、按键模块和报警模块,用于人机交互和显示环境信息。液晶显示模块采用SPI接口;按键模块通过单独的按键与CC2530连接;报警模块通过蜂鸣器实现警报功能。

整个系统的硬件电路包括核心板电路和外围模块电路。核心板电路包括CC2530最小系统和降压电路;外围模块电路包括USB转TTL电路、报警电路、按键电路和LCD显示电路。

总的来说,CC2530最小系统具有丰富的功能和灵活的扩展性,适用于无线传感器网络等[5]。

3 系统软件设计

3.1 Z-STACK协议栈

Z-STACK是一种用于ZigBee网络的协议栈。它提供了各层协议的具体实现和接口。TI公司的Z-STACK协议栈是针对CC2530开发的ZigBee协议栈,用于构建无线网络。Z-STACK工作流程如图3所示。

图3 Z-STACK工作流程

3.2 协调器和终端程序设计

在Z-STACK应用程序中,用户通过调用不同的功能函数来构建自己的网络。协议栈已经被封装好,用户只需了解函数参数的含义并根据需求调用相应的函数。

在协调器程序设计中,调用网络组建函数和轮转系统任务,实现按键程序和报警程序。作为网络核心的协调器负责建网和初始化模块。按键程序与报警程序是实现具体功能的关键。

在终端程序设计方面,终端设备主要负责传感器数据的收集和处理。以温湿度传感器和甲醛传感器为例,本文介绍了其工作原理和程序设计流程,同时也提到了AD转换的过程和数据传输的方式。

总体而言,本文通过阐述Z-STACK协议栈的使用和CC2530上的应用以及对协议栈与应用程序设计的讲解,为软件设计提供了参考与启发,对系统性能和可行性具有重要影响。

4 系统测试

节点入网和传感器模块测试主要描述了节点入网测试和传感器模块测试的过程。首先,节点入网测试阐述了检测板和接收板的供电情况以及协调器组网的指示灯闪烁和液晶显示屏显示协调器唯一地址符(PAN ID)的情况。其次,传感器模块测试涵盖了温湿度模块、甲醛模块和CO模块的性能测试。在温湿度模块测试中,通过记录不同时间段的温度和湿度值,验证系统的准确性和响应能力。甲醛模块测试则利用MQ-138传感器,测试甲醛含量在不同场景下的数值以及开窗透气对甲醛含量的影响。CO模块测试通过CO传感器检测不同地点的CO含量,包括卧室、厨房和户外的测试结果。最后,报警与按键模块测试涉及调整阈值和模拟污染场景,观察液晶显示屏上的阈值变化以及接收板和检测板的蜂鸣器是否会触发报警。通过这些测试,验证了硬件系统的功能和性能。