基于ZigBee无线通信技术的空气粉尘颗粒监控系统

齐 雨

（燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066000）

基于ZigBee无线通信技术的空气粉尘颗粒监控系统

齐 雨

（燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066000）

随着无线通信技术的不断成熟发展，针对日益严重的雾霾问题，文章设计了基于ZigBee无线通信技术的空气粉尘颗粒监控系统。系统由多个终端模块，ZigBee网络与PC端构成。终端模块采用粉尘传感器收集数据并通过控制器定时采集数据；ZigBee网络以CC2530为主控芯片，运行ZigBee/PRO协议栈构建无线网络，实现节点间点对点或点对多点透传；通过USB接口转串口实现与PC机的通信，并使用上位机软件和串口调试助手进一步进行数据的存储、分析、显示和共享。该系统成本低廉、性能稳定，能准确显示空气质量信息，达到设计要求。

ZigBee技术；环境监测；CC2530

随着经济的发展和环保意识的提高，环境问题开始逐渐受到人们的关注。在中国大部分，特别是工业集中的华北地区，PM 2.5占到了整个空气悬浮颗粒物重量的大半，PM 2.5已经成为“空气质量指数”（AQΙ）中的一项重要监测指数。但由于室内外环境差异、一天内不同时间段指数差异等因素，用户无法及时掌握周围环境的pm 2.5实时指数。而无线传感网络由于具有高度的灵活性、模块化和可扩展性等特点，能很好地解决有线网络成本高、布线难等问题，满足用户及时掌握周边粉尘浓度的需求。

因此，本文结合ZigBee技术设计了一种基于ZigBee技术的空气粉尘颗粒监控系统，构建了一个多传感器网络，实现终端节点与协调器节点间的数据无线传输，并将数据通过串口传到上位机显示并保存。该系统具有灵活性、可扩展性等优点。

1 ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种新兴的低复杂度、低功耗、低成本、低传输速率的双向无线通信技术。它由ZigBee联盟制定，主要适合于短距离、承载数据流量小、数据传输速率低的无线通信，并能嵌入到各种通信设备中去[1]。它基于IEEE 802.15.4标准，在数千个微小传感器间相互协调实现通信。ZigBee网络通常由协调器、路由器和终端节点3种节点组成，可以实现星状、片状和网状网络拓扑结构。其优势有以下几点。

1.1 低成本

ZigBee协议较其他无线通信技术的协议简单，对通信设备要求也较低，降低了器件成本。且ZigBee协议是免专利费的，降低了研发和生产成本。

1.2 低功耗

ZigBee的传输速率低，发射功率小，传输信息量小，且在不工作时进入休眠状态，电流仅有100 μA。在同等条件下工作时长可以达到W iFi或蓝牙时长的数十倍甚至数百倍。

1.3 大容量

一个ZigBee网络最多可容纳255个设备，其中有一个主设备，将一个区域内的ZigBee网络相连，最多可容纳超过64 000个节点。

1.4 自动组网

系统协调器初始化一个ZigBee网络，协调器自动给路由器分配地址，无需人工干预，模块若掉电，网络可自动修复，在任意两个节点之间通过指定地址的方式传送。

2 系统工作原理

本系统由终端模块、协调器和PC端3部分组成，采用终端模块和协调器无线通信的ZigBee网络拓扑结构。系统工作原理如图1所示。首先协调器同过USB接口与PC机相连，协调器上电后创建网络等待终端节点。终端模块由粉尘传感器、控制器和终端节点组成，由粉尘传感器采集空气粉尘浓度数据并将其发送给控制器处理，控制器通过串口周期性地将数据传给终端节点。终端节点加入协调器创建的网络后便可通过无线网络定时将数据转发给协调器，协调器将数据通过串口发送给PC端。

图1 系统工作原理

3 系统硬件设计

监控系统主要由数据采集、控制和传输3部分模块组成，系统硬件结构如图2所示。采集模块通过粉尘传感器收集数据，由控制器模块定时收集和处理数据，再通过串口将信息传递给数据传输模块，虽然数据传输模块采用的cc2530芯片自带8051单片机，但为了拥有更快的数据处理速度，故专门设置了控制器模块。

图2 监控系统硬件总体结构

3.1 数据采集模块

数据采集模块采用了夏普（GP2Y1010AU0F）粉尘传感器来采集空气中的粒子浓度。夏普（GP2Y1010AU0F）粉尘传感器，是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，可测量0.8微米以上的微小粒子。它不仅可探测粒子浓度，还可以根据烟雾与灰尘的特点鉴别其种类。随着粒子浓度的变化，其输出电压不断变化，烟是连续地表现出较高的输出电压，灰尘是间隔地表现出较高的输出电压。因此，根据传感器的输出电压值（发光素子和已同期的脉冲输出电压值）在时间上的推移向微机软件的读取，是否无尘/是否有烟/是否有灰尘，不管是哪种状态，空气污染的程度是多少，都可以进行检出。

3.2 控制器模块

控制器模块采用了宏晶科技生产的STC12C5A60S2/ AD/PWM 系列单片机。STC12C5A 60S2/AD/PWM系列单片机是宏单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成 M AX 810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合价格低，支持A/D，PWM数据采集，可以满足模拟/数字输入。其内部结构如图3所示。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机能够快速处理从传感器收集来的数据并通过串口传给无线传输模块。

3.3 无线传输模块

ZigBee无线透传模块主要实现串口转ZigBee无线数据透明传输。它基于TI公司

CC2530F256芯片，增加了射频收发前端CC2591，内部运行ZigBee2007/PRO协议栈，具有ZigBee协议的全部特性。针对复杂的ZigBee协议，本模块将协议栈嵌入模块内部，只留出串口，用户无需了解ZigBee协议栈，只需要读写串口，即可实现数据的无线传输，简单易用。CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的第二代支持ΙEEE 802.15.4/ZigBee协议的片上系统（System On a Chip，SOC）芯片。其内部集成了高性能射频（Radio Frequency，RF）收发器，工业标准增强型 8051 MCU 内核、256 KB Flash ROM（Read-Only Memory）和8 KB RAM（Random Access Memory）[2]。其十分适于低功耗、低传输速率的系统。

图3 STC12C5A60S2内部结构

由于CC2530芯片的发射功率很小，接收灵敏度也不高，这就限制了其传输距离。为满足实际通信距离需求，本系统增加了射频收发前端CC2591来增大通信距离。CC2591是TI公司生产的工作在2.4G Hz的RF收发器、发送器及SOC。CC2591可以通过一个功率放大器（Power Am plifier，PA）来提供较高的输出功率，通过低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）来改善接收机的灵敏度，从而可以改善链路的估算[3]。

3.3.1 协调器节点

协调器节点接收终端模块传来的数据，并将数据传递给PC端处理。其包括微控制器模块、射频收发模块、USB转串口模块、LED显示、按键等部分。微控制器模块和射频收发模块分别采用了CC2530芯片和CC2591收发器，其具体信息已在前文介绍，这里不再赘述；USB转串口模块可将ZigBee模块的串口转化为USB接口，无需外部供电，直接利用USB口供电及数据传输（虚拟串口）；LED显示部分指示网络的连接状况。其大体硬件结构如图4所示。

图4 协调器节点硬件结构

3.3.2 终端节点

终端节点接受控制器模块传来的数据，并将数据转发给协调器节点。其包括微控制器模块、射频收发模块、串口、LED显示、电源管理等部分。微控制器模块和射频收发模块与协调器节点结构相同；串口部分作为微控制器与控制器模块数据传递的渠道；LED显示部分表示节点是否加入或退出网络；由于终端节点无需将串口转为USB接口，便不能通过USB接口供电，故需电源管理部分。终端节点硬件结构如图5所示。

图5 终端节点硬件结构

4 系统软件设计

本系统软件部分主要有IAR编程环境和ZigBee2007/ PRO协议栈组成。ZigBee协议架构是在IEEE 802.15.4标准基础上构建的。IEEE 802.15.4标准规定了ZigBee协议的物理层（Physical Layer，PHY Layer）和媒体访问控制层（Media Access Control，M AC）；而ZigBee联盟定义了ZigBee协议的网络层（Network Layer，NWKL），应用层（Application Layer，APL）和安全服务规范[4-5]。

4.1 协调器节点程序设计

一个ZigBee系统网络的创建，首先需要启动协调器。协调器上电后进行硬件初始化，并对协议栈初始化。然后进行能量检测，并通过扫描信道选择一个合适的信道，获得唯一的PAN ID、网络短地址等信息，成功建立网络。当收到其他节点申请加入网络的信息时，若地址空间未满，协调器自动为节点分配网络地址（16位）；节点成功加入网络后便向协调器定时发送数据，协调器将数据转发给PC端。具体程序如图6所示。

图6 协调器节点程序

4.2 终端节点程序设计

终端节点主要从控制模块接收传感器采集的数据并将其转发给协调器。终端节点首先发现合适的网络，并向协调器发送加入网络的请求。成功加入网络后，便会周期性地将数据发送给协调器。其具体程序如图7所示。

4.3 上位机软件设计

上位机软件用于实时监测、显示和存储传感器数据，其软件设计是在VS2010编译环境下开发的。上位机可以对串口进行通信设置和通信状态设置，将串口打开并设置好通信串口状态后，上位机可通过串口接收从协调器发来的数据包，并进行数据包的解析和分析。其可将数据以数字和图形的形式实时显示在界面上，并能够将数据存储在数据库中，实现数据查询。

5 系统测试

选取某间空旷较大的房间进行系统测试，将测试节点布置好并上电预热后，首先对数据采集系统能否正常工作进行测试，由usb转串口驱动器得到的虚拟端口号为com6，com6向66 7E发送01 02 03 04 05 06数据内容（命令格式：0xFD+数据长度+目标地址+数据内容）测试结果如图8所示，com1可接收到上述数据。

在实验过程中，为使实验效果图更加明显，在实验开始后点燃一支烟，并在20秒后熄灭烟头，具体实验数据及结果如图9所示。

6 结语

本系统空气粉尘检测系统的实际需求，以CC2530为主控芯片，采用粉尘传感器周期性采集数据，实时监测并显示采集点的空气质量信息，并汇总保存于数据库中。经测试，该系统可实时获取用户周边环境的粉尘颗粒浓度，且工作稳定，精确度高，随着无线通信技术的发展，该系统会有宽广的发展空间。

图7 终端节点的程序

图8 点对点通信测试

图9 监控中心页面

[1]王风.基于CC2530的 ZigBee 无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012．

[2]Texas Ιnstrument.CC2530 Datasheet[J].Digital Content Society，2009（3）：3.

[3]SLETTE E, PASZOWSKΙ M.Using CC2591 Frontend w ith CC2530/1 Datasheet[J].Texas Ιnstrument，2010（10）：4.

[4]ZigBee A lliance.ZigBee Specification[J].ZigBee A lliance，2005（1）：209-245.

[5]程春荣.基于ZigBee技术的水质监测系统的设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

Air dust particle monitoring system based on ZigBee w ireless communication technology

Qi Yu
（Ιnformation Science and Engineeering College of Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China）

With the continue development of w ireless communication technology, aim ing at increasing serious dust problem, this paper design an air dust monitoring system based on ZigBee w ireless technology. The system is composed of multiple term inal modules, ZigBee network and a PC port. The term inal module adopts dust sensor to collect data and through controller to collect data on time; ZigBee network w ith CC2530 as the main control chip, running ZigBee/PRO protocol stack to build w ireless network, realizing node to node or point to multi-point transm ission between points., through USB interface to realize the PC communications to PC machine, and using the upper computer software and serial bugging supporter to further store, analyze, display and share the data. The system is low cost, stable performance, can accurately display the air quality information, which meets the design requirements.

ZigBee technology; environmental monitoring; CC2530

齐雨（1997— ），女，河北邢台。