無線傳感網(wǎng)絡下的環(huán)境凈化系統(tǒng)設計

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隨著環(huán)境問題的日益嚴重霧霾天氣不斷困擾著人們，如何檢測空氣質(zhì)量以及進行室內(nèi)環(huán)境凈化成為了迫切需要解決的問題。本文介紹了一種基于ZigBee技術的智能環(huán)境凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠檢測室內(nèi)外的PM2.5濃度，并根據(jù)室內(nèi)外的PM2.5濃度差自動進行通風、關窗、凈化空氣等操作。該系統(tǒng)可以對室內(nèi)外多處設點檢測，檢測效果較好。改革開放以來，在我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時也帶來了一系列的問題，環(huán)境污染，大氣污染，霧霾天氣等等。隨著環(huán)境問題的日益嚴重，已經(jīng)逐漸影響到居民的生活和身體健康?？諝庵械姆蹓m顆粒污染物有很多，PM10（ParticulateMatter10）、PM2.5（ParticulateMatter2.5）都對身體構成很大的威脅，特別是PM2.5，它能引起呼吸道的一系列疾病，甚至引發(fā)癌癥。因此，需要一款能夠根據(jù)環(huán)境情況進行室內(nèi)環(huán)境凈化的系統(tǒng)。而無線傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，將信息的產(chǎn)生和感知也包括在其中，非常適合環(huán)境監(jiān)測方面的應用。因此本項目基于無線傳感網(wǎng)絡，對室內(nèi)外的空氣質(zhì)量進行監(jiān)測的同時智能進行室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)。

1無線傳感網(wǎng)絡的基本原理

可以在需要監(jiān)測的區(qū)域放置一定數(shù)量的傳感器，傳感器節(jié)點檢測到被測區(qū)域的PM2.5濃度后通過無線的方式傳輸給管理節(jié)點也就是用戶，用戶對數(shù)據(jù)進行處理顯示。無線傳感網(wǎng)絡模型如圖1所示，由傳感器節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)、管理節(jié)點、用戶構成。它由傳感器節(jié)點采集信息并通過無線網(wǎng)絡傳輸給用戶。無線傳感網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks,WSN)廣泛的應用于各種通信技術中，其中ZigBee技術是較常見的一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術。它使用IEEE802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，應用層根據(jù)用戶自己的應用需求制定。因此，它的組網(wǎng)形式更加靈活機動。本系統(tǒng)采用全球通用的免費的工業(yè)、科學頻段2.4GHz。樹型拓撲結構、星型拓撲結構和網(wǎng)狀拓撲結構是ZigBee技術網(wǎng)絡的3種網(wǎng)絡拓撲結構。

2PM2.5傳感器原理

PM2.5傳感器使用SDS011，SDS011是一款常用的PM2.5檢測芯片，它使用激光檢測PM2.5，能夠分辨的最小直徑0.3微米的顆粒，檢測性能穩(wěn)定，它使用數(shù)字化輸出集成度高。因此，可以較為準確的檢測出PM2.5和PM10的濃度。SDS011使用96008N1串口通訊協(xié)議。波特率為9600，數(shù)據(jù)10字節(jié)為1幀，構成方式如式（1）。報文頭+指令號+數(shù)據(jù)(6字節(jié))+校驗和+報文尾（1）

3系統(tǒng)硬件設計

本智能環(huán)境凈化系統(tǒng)在室內(nèi)不同的房間和室外多處設立監(jiān)測點，實時監(jiān)測空氣中PM2.5的含量，通過無線傳感網(wǎng)絡傳遞給室內(nèi)系統(tǒng)主控，通過對室內(nèi)外的PM2.5的含量的對比，從而確定不同的環(huán)境凈化方案。本系統(tǒng)配備有空氣凈化裝置以及自動開關窗戶，當室外PM2.5含量低于室內(nèi)PM2.5含量則自動開窗進行通風，當室外PM2.5含量高于室內(nèi)PM2.5含量則自動關窗避免外界的有害氣體進入室內(nèi)，同時判斷室內(nèi)PM2.5含量的濃度，若室內(nèi)已達到中度及以上污染程度，則打開空氣凈化器?？諝赓|(zhì)量等級劃分如表1所示。本系統(tǒng)的硬件框架如圖2所示。其中（a）為終端設備硬件框圖。終端設備模塊包含CC2530模塊、PM2.5傳感器模塊、電源模塊、天線模塊等。首先通過PM2.5傳感器SDS011檢測空氣中PM2.5的濃度以及PM10濃度，檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給CC2530，CC2530接收到數(shù)據(jù)后存儲在存儲器里并通過天線發(fā)送出去。圖2中（b）為協(xié)調(diào)器硬件框圖。協(xié)調(diào)器包括CC2530、LCD、PC、自動窗戶、空氣凈化器、存儲器、電源、天線等。協(xié)調(diào)器通過天線接收到數(shù)據(jù)后存儲在存儲器中并顯示在LCD上，LCD上可以同時顯示多路傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。CC2530對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，從而選擇是進行窗戶的開關操作，還是進行凈化室內(nèi)空氣的操作。同時CC2530還可以通過串口連接到PC機，將檢測數(shù)據(jù)實時顯示在PC上。

4程序主要實現(xiàn)結果

該智能環(huán)境凈化系統(tǒng)主控部分的硬件實物圖如圖3所示，為協(xié)調(diào)器的硬件實物圖。該系統(tǒng)配備電池，小巧方便可直接使用。系統(tǒng)使用的液晶顯示器是12864，終端設備檢測的多路數(shù)據(jù)可實時的顯示在液晶屏上。硬件配備有PL2303,實現(xiàn)了全雙工異步串口通信裝置RS232到USB的接口轉換。為了節(jié)省空間，使設備更加小巧，系統(tǒng)使用miniusb口，將數(shù)據(jù)通過usb口傳輸至PC機，進行數(shù)據(jù)的后續(xù)顯示和處理。系統(tǒng)接收端的顯示主界面如圖4所示。首先連接上接收端主設備，查看端口數(shù)據(jù)，然后按照接收端設備的數(shù)據(jù)進行COM口選擇，打開串口。當串口成功打開后，各個采集點的PM2.5檢測值會顯示在界面上。可根據(jù)需要添加不同的PM2.5監(jiān)測點，也可以將一段時間內(nèi)檢測到的監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖形的形式進行輸出。

5結論

經(jīng)過對多路終端的單獨調(diào)試，以及協(xié)調(diào)器的調(diào)試，本系統(tǒng)能夠快速進行多區(qū)域的PM2.5檢測接收并在LCD上顯示，同時還能將數(shù)據(jù)實時傳輸至PC機進行后續(xù)處理控制。能夠根據(jù)空氣質(zhì)量等級劃分，智能的判斷室內(nèi)外的空氣質(zhì)量優(yōu)劣，從而進行不同的空氣凈化工作。經(jīng)過測試，該程序性能穩(wěn)定，效果良好，實現(xiàn)了相應功能。

作者：尚麗娜 張翠 單位：浙江大學城市學院