基于ZigBee无线技术的智能空气净化系统设计

崔曦元 吴凌智

摘要：设计了基于ZigBee无线传输技术的智能空气净化系统。以德州仪器（TI）公司的CC2530单片机为主控中心，ZigBee无线传输技术为桥梁，实现一个自组织、低成本的空气净化系统。该净化系统利用终端器上的PM2.5及温湿度传感器采集空气数据，通过ZStack协议栈发送至ZigBee协调器，在液晶屏幕上显示实时数据，通过设定阈值控制空气净化开关。实验结果表明，该系统测量准确，能较好地传输数据并净化空气。

关键词关键词：ZigBee无线传输；ZStack协议栈；PM2.5；空气净化

DOIDOI：10.11907/rjdk.161917

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007010703

0引言

近年来，智能家居的概念不断被提及，智能家居将多种技术相结合，组成一个控制系统，在家居住宅等平台上利用通信技术、计算机技术及自动控制技术，实现家庭生活中各类子系统的结合应用，进而通过网络实现对家庭内部的全智能控制。

空气净化作为智能家居的重要组成部分，对人体健康起到重要保护作用。PM2.5是指大气中直径小于等于2.5μm的颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，其直径较小，富含有毒有害物质，如果在大气中停留时间过长，人体会吸入大量PM2.5，对身体伤害巨大。目前，对于大气颗粒物的研究及检测方法尚处于检测方法及仪器制作阶段，对于PM2.5这类污染物的网络化检测还很少。ZigBee作为一种注重低耗能、低速率的无线通信技术标准，近年来被无线通信领域广泛研究并应用于智能仪器表、医疗环境等方面。本文设计了一款应用ZigBee无线传输技术的智能空气净化系统，将空气监测与净化系统相连接，达到实时净化空气的目的。

1ZigBee协议

低功耗、低成本及短距离传输的无线通信技术一直存在，例如蓝牙、WiFi，但由于价格影响了这类协议的应用范围。随着科技的进步，无线传感网络不断发展，许多新的网络协议也随之诞生，ZigBee就是其中之一。2001年，ZigBee联盟成立，2004年ZigBee V1.0诞生，它是ZigBee规范的第一个版本，但由于时间仓促，其不免存在一些不足。之后的几年内ZigBee不断推出新版本，功能也相继完善。ZigBee的主要技术特点有：①低功耗；②时延段；③低成本；④网络容量大。

1.1ZigBee协议栈

ZigBee协议栈有4层结构，如图1所示，其中的IEEE802.15.4-2003标准定义了最底下的两层：物理层（PHY）及媒体访问层（MAC）。ZigBee联盟在这两层的基础上，又定义了网络层（NWK）及应用层，应用层由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）组成。ZigBee协议栈的每一层都会先将属于各自的任务完成，待结束后向上一层提供相应的信息与服务，每层通过接口之间的逻辑链路为相应的信息与服务提供支持。

ZigBee网络层（NWK）支持3种拓扑结构：树型、星型和网络网状型。星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通信控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将数据发送到中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求即可。本设计选择了星型网络拓扑结构，如图2所示。结构由协调器和终端器组成，其中协调器负责组建与维护，终端器与协调器一对一通信。

本设计以电脑为主控中心，将ZigBee的协调器利用USB与电脑连接，利用ZigBee的无线通讯作为传输的桥梁，终端器（Terminal Device）将各自测量的数据传送至协调器（Coordinator）。使用者可以在电脑上、协调器的液晶屏或者安装有应用程序的安卓手机上实时查看空气质量等数据。协调器通过ZigBee无线控制每一个子节点，以此实现对监测装置和空气净化装置的自动控制。系统设计总体框架如图3所示。

ZigBee模块组成如图4所示，主要由协调器、终端器（终端节点）、PC机、各类传感继电器及控制器组成。系统中的主要硬件电路采用了ZigBee的设计模块，本文使用的是TI公司的CC2530芯片。此款芯片基于2.4GHz IEEE802.15.4，能以非常低的材料成本建立强大的网络节点，其内部集成了8051的内核，供ZigBee专用，芯片采用3.3V电压。系统整体框架如图4所示。

系统在终端器上配备了PM2.5传感器接口。PM2.5传感器选用了夏普GP2Y1014粉尘传感器。在传感器中心有检测孔，空气可以自由流过，该装置中一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置并定向发射光束，光束经过灰尘会产生折射光，传感器通过检测折射光束来测定空气中PM2.5的含量。

3.2温湿度传感器

终端器上还外接温湿度传感器，设计中选用了DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

3.3空气净化系统

空气净化系统使用了高效的HEPA滤网及活性炭滤网，并配备了12V、0.25A的风机，对PM2.5及以下颗粒具有较好的吸附效果。终端器的传感器将数据采集后通过ZStack协议栈和2.4GHz无线发送到ZigBee的协调器模块中，协调器处理这些数据并控制空气净化系统的运行。

4软件及实现

利用TI公司的ZStack2.3.01.4.0版本的协议栈作为ZigBee网络系统节点的工作协议。协议栈里的配置可以更改成协调器或终端器。系统的软件设计包括硬件、网络、任务等方面的初始化，选择操作系统抽象层（OSAL）任务进入系统。ZigBee协议栈流程如图5所示。

在ZStack协议栈中规定了组网作为优先级最高的任务，首先进行组网，接着调用协议栈中的组网函数，同时注入网络函数以实现组网和节点的加入。要实现数据的无线传输，就要使用节点调用协议栈里的无线数据发送函数，这样就可以实现数据的无线传输功能，发送之后的接收功能由接受节点调用协议栈的无线数据接收函数来实现。整个调用过程是：main（）->osal_init_system（）->osalInitTasks（）->SampleApp（）。

搭建的硬件电路如图6所示，对PM2.5及温湿度传感器的终端器及带有显示屏的协调器进行调试，在IAR Embedded Workbench中对程序进行编译和调试，通过下载器将编译后的HEX文件下载至CC2530中，使系统自动运行，并在显示屏上显示实时数据。

图6硬件电路试验在一个密闭的房间内进行，实验前测得室内PM2.5为70，未触发空气质量阈值报警线。实验中，点燃一张A4纸，此时房间内的PM2.5急剧上升，经过ZigBee终端器测量可知PM2.5浓度达到800，触发预设值的100 报警阈值，空气净化系统被自动开启，开始净化。实验人员穿着智能空气净化系统配置的呼吸口罩呼吸新鲜空气，表示空气质量良好。

5结语

本文提出了一款基于ZigBee无线传输技术的智能空气净化系统，该系统不仅成本低，而且测量准确，能够达到较好的空气净化效果。试验测试中，在ZigBee终端器安装PM2.5及温湿度传感器，以检测空气质量并传输数据，并实现了ZigBee终端器与ZigBee协调器之间的无线通讯，同时保证了继电器对空气净化系统的智能控制。随着无线通讯技术的不断发展，空气净化系统将更加智能化、个性化，以更好地满足用户体验需求。

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