基于ZigBee的雾霾采集系统设计与实现

李 伟，左常玲

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥230601）

近几年城市经济社会的快速发展，人口规模和数量的不断扩大，机动车用户数量的不断持续增长，以及公共交通资源的匮乏使得城市化机动水平的不断提高，导致大量的尾气排放和工业污染.全国多地出现PM2.5“爆表”的现象，环保专家认为一般冬季因为激增的采暖能耗排放量，平均人口集中的北部地区城市大气污染物积聚连续几天可能达到重度污染，在中国南方的大部分城市经常出现生产量高和交通运输排放量高的情况，一旦这种情况发生就有可能导致城市重度污染.专家认为中国的机动车是城市的主要污染源之一.近日数据调查表明，中国大气污染的主要来源之一就有机动车辆的尾气排放.众所周知机动车辆的尾气排放物是导致灰霾、光化学烟雾污染现象的重要缘由.

雾霾不仅造成了城市交通拥挤，激化了交通供需的矛盾，加大了城市道路系统压力，越来越使有限的城市道路资源无法承载其压力，同时也是导致城市空气污染日益严重的重要来源之一，不仅在生活上给市民带来诸多不便，而且严重影响到市民的健康.笔者主要研究可实时的监测某一地区的PM2.5值.整个系统是以单片机CC2530作为系统主控，添加辅助器件雾霾传感器组成简易的无线分布式雾霾监测系统.在设计程序时采用C语言为电路配置功能.系统的设计思路是利用ZigBee模块、PC、雾霾传感器等基本硬件元件构成电路从而实现雾霾的实时监测功能.具体工作原理是雾霾传感器将各个采集节点的PM2.5值通过ZigBee协议无线发送至协调器，然后在上位机界面显示.整个设计是利用电子技术以及物联网技术，实现的环境实时监测系统.

1 系统设计方案

系统方案设计包括：传感部分，采集部分以及上位机显示部分.系统可以实现无线接收数据以及显示多点雾霾数据等功能.系统的核心控制单元是CC2530单片机，无线收发数据方式采用的是ZigBee技术.使用了ZigBee协议栈的Sample App工程进行点播，3个传感节点分别使用了雾霾传感器，适时地对各个地区进行PM2.5值检测.将检测到的数据发送至采集部分，最后通过PC在上位机上显示，设计方案见图1.

方案中单片机CC2530作为主控芯片，配合简单的外围电路，使系统设计达到最优化，系统方案设计的优点是低成本、低功耗.系统设计由硬件和软件两部分.电源同时给系统单片机和雾霾传感器供电，传感部分由ZigBee模块和雾霾传感器组成.雾霾传感器采集到的数据通过ZigBee协议发送给采集模块，而采集部分由ZigBee模块和电脑，再通过MAX232将接收到的数据在特定的上位机界面显示.系统方案电路设计简约，功能模块电路能够实现无线多点雾霾数据显示功能.

图1 系统方案设计

2 硬件电路设计

系统硬件设计电路包含中央处理单元CPU（CC2530）、传感模块单元、采集模块单元、雾霾传感器电路单元、上位机显示单元，整体系统的闭合电路设计简单，稳定性强.接下来分别介绍各个控制电路的功能实现及其在系统电路中的工作原理.

（1）CPU.CC2530的8位处理器完全可以满足设计要求，具有超有效、高灵活、低功耗的特点.CC2530具有IEEE802.15.4规范的无线收发器.RF内核操控模拟无线模块.此外，它拥有MCU和无线设备之间的接口，这能让它可以发出命令，读取状态，无线设备的自动操作，并决定执行命令的顺序.CC2530主控微型器，是一种低消耗功率和安全性高的8位微处理器，此芯片具有8位数据处理能力，在全球范围内广泛应用.CC2530内部的微处理单元主要负责传感器节点的内存分配、操作、采集信号的转换和梳理、数据存储等.

（2）传感模块单元.主要是由ZigBee模块和雾霾传感器以及电源模块3部分构成.监测区域内的数据和信息的转换及发送都是由传感模块单元来采集实现的.

（3）电源模块.一般的酸性电池都有寄放时间不宜过长和电压不平稳的通病，然而在系统设计中选择的碱性锌锰电池恰恰克服了这两个缺陷，是目前锌锰电池系列中性能最好的一种.因为9 V碱性锌锰电池具有大电流和连续放电性能优越两大优点，根据该电池生产商介绍与普通的锌锰电池测试对比，容量比其大好多，在同等环境下，9 V碱性锌锰电池比普通的电池一次性连续放电时间高达3～8倍.产品密封过程中，长期连续放电不会泄漏，保质期长，储存过程中自放电低，低温性能.不易更换的产品被广泛应用于烟雾报警器，一氧化碳报警器，以及其他要求比如很长的电池续航时间.同时CC2530是一款低功耗的芯片，两节干电池可以维持6～24个月，故此也是系统的电源模块首选.通过AMS1117将9 V的电压转换成3.3 V给模块供电，而通过7805将9 V电压转换成5 V电压给传感器供电.

（4）LED模块.在基于ZigBee协议无线分布式雾霾采集系统中LED部分用来表明系统的工作状态，其外接4个LED灯，LED1接的是P1_0口（LED灯显示的颜色是绿色）；LED2接的是P1_1口（LED灯显示的颜色是红色）；LED3接的是P1_4口（LED灯显示的颜色是黄色，在这里是当做网络指示灯用途，当协调器上的LED3在闪烁时，表明ZigBee网络正在建立；当协调器上的LED3常亮时，表明ZigBee网络已经建立完成.当传感模块上的LED3在闪烁时，表明正在加入ZigBee网络；当传感模块上的LED3在常亮时，表明已经完成加入ZigBee网络）；LED4接的是P0_1口（LED灯显示的颜色是蓝色）.

（5）雾霾传感器模块.是由雾霾传感器DSM501以及电源模块构成.该雾霾传感器能够感知到烟草、烟雾和花粉，灰尘颗粒等.通过加热自动进气装置将空气中颗粒吸收到监测区内，通过调节可调电阻的大小，来改变检测物体的大小.系统设计的雾霾传感器通过运用与粒子计算器相同原理，测算出单位体积颗粒数目的相对个数，当然由于成本低，精确度也相对的不是很高，但对于市民用户来说已经很合适了，做不到工业级别的精确究其原因还是成本过高.

（6）ZigBee模块.设计采用的数据通讯模式就是主从通讯模式，通过协调器（主机）建立ZigBee无线高频网络，然后给节点模块供电，此时节点模块（从机）开始加入该网络，然后将传感器采集到的雾霾数据通过该网络传送至协调器（主机）.

（7）串口通讯及显示模块.基于ZigBee协议无线分布式雾霾监测系统通过MAX3232通信将协调器（主机）接收到的雾霾数据上传至电脑，然后通过特定的上位机界面显示各个节点的雾霾情况.上位机显示界面（没有调试时的直观图）见图2.

图2 上位机主界面

3 系统调试及功能测试

3.1 硬件调试

分别对单个模块进行测试，对不满足设计要求的地方进行改进.对电源模块的稳定性进行检测，测量输出电压值，以确保供电的稳定.对雾霾传感器模块的灵敏度进行检测，进行实地测试，选取适当的灵敏度以正常情况状态下检测要求.对独立模块测试完毕后，再对整体模块进行测试，确保模块之间的协调，消除模块之间的干扰，对整体硬件系统进行优化.

3.2 软件调试

硬件调试没有问题后就可以进行系统程序部分调试，这部分由各个模块的程序组成，在程序测试时前进行总体测试，对出现的问题进行单独测试，即屏蔽其他模块程序，对特定程序进行检测，最后对整体程序进行综合测试.对程序中有问题或有冲突的地方进行修改对程序进行优化.

通过以上软硬件调试后确定没有测试错误，然后将系统的完整程序烧写到ZigBee模块上（每次烧写时必须标记号节点标号），而传感模块与协调器模块所烧写的程序是不一样的.烧写好以后，将传感模块分别置于三个不同的位置且每个模块之间距离超过2米，然后将协调器上的USB插头连接在电脑的USB端口上，打开上位机且设置到参数（COM口以及波特率）.然后打开协调器上的电源，再逐次打开传感模块的电源.等到传感模块已经加入到协调器建立的ZigBee网络时，上位机界面会显示各个节点处的雾霾值.为了测试每个节点传输的PM2.5值是否在改变，可以通过向依次向每个雾霾传感器吹点着的香烟气体，然后观测对应的上位机上显示节点处的数据是否改变.然后依次进行测试，观察每个节点是否成功向协调器传输雾霾数值.

在软件调试过程中遇到从节点发送过来的数据在上位机上显示出现乱码，不可以同时在几个上位机窗口同时显示数据，出现了在三个上位机窗口出现一样的数据现象，经过仔细排查发现问题不是单片机烧写的程序问题，也不是上位机的问题，而是没有将节点发送过来的数据与上位机窗口一一对应，以此类推，就出现了上述的情况.为了解决上述问题，采取的办法是分别在发送的程序与上位机程序加了校验码.

3.3 测试结果

对测试数据进行分析，测试数据与理论数据相一致.经过多次调试各模块工作正常能够达到实际要求，能够实现设计的全部功能和执行各种指令.系统软硬件结合测试仿真结果见图3.

图3 系统测试结果

从结果可看出有3个节点框图，每一个节点框图代表一个被采集地点的雾霾情况，用户可以打开串口将接收到的十六进制数据包，根据计算公式（十进制高字节×256+十进制低字节）后可得到PM2.5的值，就可直观的了解到此时此地的PM2.5情况，做出合理的出行安排.根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）规定：空气污染指数根据PM2.5的浓度（PM2.5的浓度为测试数据×0.1，单位为ug/m3）划分为六档，对应于空气质量的六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显.

4 结语

系统设计完成了无线分布式雾霾监测系统的全开发过程，进行了整个体系设计测试，根据实际需要各个开发模块之间进行了协调.标准的微处理器和系统界面的各个模块，严格遵循国家有关标准，以PM2.5为探讨对象，对其进行采集进而通过ZigBee网络无线传输至协调器再由电脑上的上位机显示，从而能够为人们在出行和旅游时候提供更加有序、健康、高效，为基于ZigBee协议无线分布式雾霾采集系统提供了设计理念.