基于zigbee的空气质量检测仪设计正文大学学位论文.docx
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基于zigbee的空气质量检测仪设计正文大学学位论文
齐齐哈尔大学
毕业设计（论文）
题目基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计
学院通信与电子工程学院
专业班级通信工程111班
学生姓名齐利刚
指导教师朱恒军
成绩
2015年6月25日
摘要
随着科技发展，空气污染严重影响了人们的健康。
因此，为家人和朋友创建一个空气新鲜、健康舒适的生活环境是非常必要的。
室内空气质量检测是刚兴起的一个行业。
该行业是通过对室内的装修、家具污染引起的环境污染物超标所进行检测和分析过程，并且出具国家权威的、法律效力的检测报告。
通过检测报告我们可以判定室内各种污染物质的浓度，然后进行针对性的防控。
本设计是由传感器、Zigbee模块和上位机搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。
第一步，通过各种传感器对室内甲醛、苯、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测和数据处理；第二步，将检测参数传送给Zigbee终端节点；第三步，通过Zigbee无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。
如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。
室内空气质量检测仪采用Zigbee的无线传感技术，可以进行多点检测，还可以方便的添加和移除Zigbee节点，具有成本低、组网灵活、简单易用等优点。
不仅适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，具有很高的实际应用价值。
关键词：
空气质量检测；无线传感网络；Zigbee模块；多点检测
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,airpollutionhasseriouslyaffectedpeople'shealth.Therefore,itisnecessarytocreateafreshair,healthyandcomfortablelivingenvironmentforourfamilyandfriends.Indoorairqualitydetectionisanewlyrisingindustry.Theindustrywillgiveaairpollutiondetection,whichthroughdetectingpollutioncausedbytheindoordecoration,furnitureandsoon.Itissuedanationalauthorityandlegaldetectionreport.Throughthedetectionreport,wecanseetheconcentrationofindoorpollutionsubstances,andthentakesomemeasurestopreventthepollution.
Theairqualitydetectorisconsistofasensor,ZigbeemoduleandPC,whichisbasedonawirelesssensornetworkofZigbeetodetectindoorairquality.Thefirststepiscollectdata,whichthoughavarietyofsensorsofindoorformaldehyde,suchasbenzene,ammonia,totalvolatileorganiccompoundTVOCandotherairpollutantssensors.Thesecondstepisdatatransmission,whichtransportthetestparameterstotheZigbeeterminalnode.Thethirdstep,themaincontrolenddisplayandmonitortheairqualityindex,whichwillreceivethenumberthroughtheZigbeewirelesssensornetwork.Ifthedetectionofcertainairpollutantsexceedthestandard,Itwillalarmtoremindtheusertotaketheappropriatemeasures.BecauseoftheindoorairqualitydetectorusingZigbeewirelesssensortechnology,itbecomemoreconvenientandfasttotakeamulti-pointdetectionandaddandremoveZigbeenodes.Besides,ithasmanyadvantages,suchaslowcost,flexiblenetworking,easytouseandsoon.Itnotonlycanbeusedtotesttheairqualityofthenewhouseandnewlydecoratinghouse,butalsoitcanbeusedforthelong-timedetectionofindoorairquality,soithasahighvalueofpracticalapplication.
Keywords：
Airqualitytesting;Wirelesssensornetworks;Zigbeemodule;Multi-pointdetection
第1章绪论
1.1课题研究背景
根据室内空气质量检测标准，调查监测了新建及新装修的教室、办公楼、家庭卧室等230多户大约4万平方米的建筑。
检测结果表明：
室内空气质量合格率仅为34.7%。
报告显示，在众多的室内空气污染物中，氨气和苯的化合物气体是主要污染物，超标率高达61.2%，测得的最高值竟然超过国家标准63.5倍。
除此之外，甲醛的超标率为27.8%，苯系物（甲苯、二甲苯等）超标率为14.6%[]。
国外通过大量实验得出一个结论，室内空气质量与人类的健康息息相关。
空气污染会引起很多疾病，比如：
“致病建筑综合症”和“建筑关联病”等疾病，这些疾病会导致人的眼部、鼻子、脑部等不良反应，轻者眼花、恶心呕吐，重者麻痹、休克等。
空气污染严重影响了人们健康的生活质量。
所以，所有的室内环境都必须进行必要的空气质量检测，尤其是公共场合。
通过检测和改善室内空气质量，给大家创造一个健康、舒适的起居环境。
本课题为基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计。
首先，通过传感器检测空气质量的指标；然后，通过Zigbee无线网络传送给主机进行指标的显示，如果污染气体超标就会发出警报。
空气质量检测仪基于Zigbee的无线传感网络，更加方便、快捷，适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，尤其老人、孕妇、儿童等抵抗力弱的人群更加需要，为您和您的家人的健康保驾护航，具有很高的实际应用价值。
1.2空气质量检测的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
现代空气污染问题的研究源于伦敦烟雾事件。
20世纪60年代提出了室内空气质量（IAQ）的概念。
1999年底，法国政府成立了国家室内空气监测站。
自2001年起,该检测站年年都在全国范围内选择上千个个监测点,对室内空气中的粉尘、氨气、过敏源、苯化合物、人造纤维、烟草烟雾等10多种空气污染物进行检测并公布检测结果。
从2005年至2012年,美国的温室气体排放量下降了近10%。
对于美国在联合国气候谈判中承诺的2020年减排目标而言,已实现过半[]。
2008年起，美国驻华使领馆开始监测所在城市的PM2.5数据，并向公众公布。
“2014年3月25日，世界卫生组织发布的最新数据显示，2012年全球因空气污染导致的各类疾病死亡人数约为700万。
”根据世界卫生组织（WHO）2014年发布的一份报告，印度首都新德里是全球空气污染最严重的城市。
为了保护美国驻印度大使馆工作人员，美国为他们购买了1800台室内空气净化器。
最近，欧盟第七研发框架计划（FP7）组织下的欧洲IAQSENSE研发团队，成功研制的室内空气质量实时检测装置，具有智能型、高灵敏、可随时随地检测空气质量等特点[]。
1.2.2国内研究现状
跟国外相比,我国近几年才开始对室内空气质量进行研究,我国从事住宅室内空气污染的研究始于70年代。
目前，空气净化涂料对污染物的净化功能的评价大多依据JC/T1074—2008《室内空气净化功能涂覆材料净化性能》标准进行，该标准中涉及甲醛和甲苯两个净化指标[]。
国家“十二五”计划也将“室内空气净化”列为扶持行业。
，2011年，“中华人民共和国卫生部80号令”规定了室内空气净化的各项条款，为这一行业正规化发展奠定了坚实基础。
为了规范市场，国家环保产品质量监督检验中心、福州大学光催化研究所和中国标准化研究院等单位起草了《净化空气用光催化剂GB/T27870-2011》国家质量标准，该标准并于2012年开始实施[]。
2013—2014年，中国建筑装饰协会公布了一个的抽样检测数据报告。
该报告是关于家居环境和室内装饰材料的，报告公示了几项空气主要污染物包括甲醛、苯化合物等致癌物质多达23种，他们超标率分别高达82%，和77%，并表示疾病与室内空气污染相关。
目前，国家出台的室内空气检测标准有《室内空气质量标准》GB/T18883-2002和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》GB50325-2013。
据了解，空气净化器新国标的“征求意见稿”已经审批通过，有望在2015年上半年正式出台。
在新国标中，强化了一个核心指标即CADR值。
CADR值指的是洁净空气量，是空气净化器每小时能够输出的洁净空气体积，这一数值越大，表示产品的净化速度越快。
1.3本文研究内容
本设计主要是通过传感器和Zigbee模块搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。
首先，是通过各种传感器对室内甲醛、苯、甲苯、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测，然后将检测到的指标参数传送给Zigbee模块。
最后，Zigbee通过无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。
如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。
室内空气质量检测仪要达到的技术指标如下：
（1）网络容量：
一个Zigbee的网络可以容纳多达255个网络节点；
（2）工作时间：
工作时间比较短、收发信息功耗低，连续工作长达2年；
（3）MQ-135气体传感器：
可以侦测有害气体的体积浓度为：
10-1000ppm，适用于氨气、硫化物、苯系蒸汽、烟雾和其它有害气体的检测；
（4）DHT11数字温湿度传感器：
测量空气湿度范围：
从20％RH到90％RH，测量空气温度范围：
从0℃到50℃。
当前，室内空气检测的主要依据是《室内空气质量标准》和GB/T18883-2002和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》GB50325-2013[]。
室内空气检测项目见表1-1。
表1-1室内空气检测国家标准项目
序号
项目类别
项目名称
标准限制
备注
1
物理性
温度
22-28℃
16-24℃
夏季空调
冬季采暖
2
相对湿度
40-80%
30-60%
夏季空调
冬季采暖
3
空气流度
≤0.3m/s
≤0.2m/s
夏季空调
冬季采暖
4
新风量
≥30m3/（h人）
5
化学性
甲醛HCHO
≤0.10mg/m3
8h均值
6
氨NH3
≤0.20mg/m3
8h均值
7
苯C6H6
≤0.11mg/m3
8h均值
8
甲苯C7H8
≤0.20mg/m3
8h均值
9
二甲苯C8H10
≤0.20mg/m3
8h均值
10
总挥发性有机物TVOC
≤0.60mg/m3
8h均值
11
臭氧O3
≤0.16mg/m3
1h均值
12
二氧化硫SO2
≤0.50mg/m3
1h均值
13
二氧化氮NO2
≤0.24mg/m3
1h均值
14
一氧化碳CO
≤10mg/m3
1h均值
15
二氧化碳CO2
≤0.10%
日平均值
16
苯并[a]芘B（a）P
≤1.0ng/m3
日平均值
17
可吸入颗粒PM10
≤0.15mg/m3
日平均值
18
生物性
菌落总数
≤2500cfu/m3
依据仪器定
19
氡222Rn
≤400Bq/m3
年平均值
空气质量指数（AirQualityIndex，简称AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数。
参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。
空气质量指数级别见表1-2。
表1-2空气质量指数级别
空气质量指数
AQI
空气质量指数级别
空气质量指数及表示颜色
对健康的影响
建议采取的措施
0-50
Ⅰ
优
绿色
空气质量令人满意，基本无空气污染。
各类人群可正常活动
51-100
Ⅱ
良
黄色
空气质量可接受，某些污染物对极少数敏感人群健康有较弱影响。
极少数敏感人群应减少户外活动
101-150
Ⅲ
轻度污染
橙色
易感人群有症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状。
老人、儿童、呼吸系统等疾病患者减少长时间、高强度的户外活动
151-200
Ⅳ
中度污染
红色
进一步加剧易感人群症状，会对健康人群的呼吸系统有影响。
儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群减少户外活动
201-300
Ⅴ
重度污染
紫红色
心脏病和肺病患者症状加剧运动耐受力降低，健康人群出现症状
儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止减少户外运动
>300
Ⅵ
严重污染
褐红色
健康人群运动耐受力降低，有明显强烈症状，可能导致疾病
儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止户外活动
本课题用到很多技术，所以要对主要芯片和所用语言进行学习和总结，除此之外，还要对无线传感网络核心部分Zigbee和传感器进行研究。
首先，我对无线传感器网络的总体结构进行总结分析，尤其对传感器网络的关键技术进行详细的介绍。
其次，在硬件方面，对基于Zigbee的室内空气质量检测仪进行硬件电路设计，包括CC2530最小系统电路、天线电路、传感器电路等单元电路设计。
再次，在软件方面，对设计的各种程序进行设计。
包括传感器的采集和处理数据的程序、Zigbee终端节点和协调器的收发信号的网络协议程序设计、上位机软件读取串口和显示数据程序和安卓手机客户端的应用程序等等。
最后，通过搭建一个由主控Zigbee芯片、传感器、显示部分和控制部分组成的室内空气质量检测仪。
经过写入程序、调试，最后实现空气质量的基本指标的显示和污染物的检测，污染物超标则进行报警。
1.4文本结构
本设计是通过传感器和Zigbee模块搭建完成一个利用Zigbee无线传感技术的室内空气质量检测仪。
全文共分为6个章节：
第1章绪论，讲解了室内空气质量检测仪的研究背景，同时还讲解了国内和国外在空气质量检测的领域现在的研究成果。
第2章Zigbee技术简介，主要对Zigbee的基本概念解释，包括设备类型、拓扑结构、Zigbee技术的特点。
除此之外，还对IEEE802.15.4标准进行说明，重点Zigbee协议体系结构讲解。
第3章系统总体设计方案规划，总体对室内空气质量检测仪设计进行介绍，包括系统功能实现的介绍，硬件规划、软件规划等。
第4章系统硬件设计，包括所选用的主控芯片，传感器使用和功能介绍。
主要是最小系统设计和各个模块电路规划等，还有就是系统的硬件设计原理图。
第5章系统软件设计，简单介绍设计所需要的软件使用方法等。
然后，对设计所需要的重要程序讲解，包括初始化程序、系统主控程序、子程序等。
还有就是对设计所用到的上位机程序和安卓应用程序进行了功能介绍。
第6章系统的仿真、制作与测试，本章对系统的软件和硬件进行仿真、制作、调试和测试。
最后，进行实物制作，完成设计。
第2章Zigbee技术简介
Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。
它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术。
2.1Zigbee基本概念
Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。
它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术[]。
其特点是传输距离近、复杂度低、具有自组织性、功耗低、传输速率低、廉价等。
应用范围广泛，可以与其他设备组合在无线控制和监测控制等方面使用。
总之，Zigbee技术是一种廉价的，节省能源的，短路程的无线通讯网络技术。
2.1.1设备类型
在Zigbee网络中存在三种逻辑设备类型：
Coordinator（协调器），Router（路由器）和End-Device（终端设备）[]。
Zigbee网络有且只有一个Coordinator，除此之外，还有许多Router和一些End_Device共同组成。
2.1.1.1Coordinator（协调器）
协调器负责启动整个网络。
它也是网络的第一个设备。
协调器选择一个信道和一个网络ID（也称之为PANID，即PersonalAreaNetworkID），随后启动整个网络。
协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定（bindings）。
协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。
一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器（或者消失goaway）[]。
因为Zigbee无线网络自身的特点，所以接下来整个网络的操作就不再依赖协调器存在而存在。
总体来说Coordinator的主要任务有以下四个：
（1）在2400MHz到2483.5MHz的频段中选择网络所使用的频率通道。
（2）开始组建一个无线网络。
（3）接收其他节点的请求信息，然后，选择性的允许其他节点加入到刚组建中网络中来。
（4）它通常还会提供信息路由，安全管理和其他的服务。
2.1.1.2Router（路由器）
路由器主要作用有:
一是允许其他的设备加入本网络，二是多跳路由可以协助它自己和终端设备的正常通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。
不过，当处于树状网络拓扑结构，允许路由会周期性的间隔操作，这样会大大的减少功耗，因此，可以使用电池供电。
Router（路由器）主要有以下两个任务：
（1）在网络中，路由器为节点转发信息从而完成整个网络通信。
（2）允许在他附近的子节点通过发送请求由自己加入整个网络中。
2.1.1.3End-Device（终端设备）
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。
通常，终端设备对存储空间（特别是RAM的需要）比较小。
EndDevice一般处于网络的边缘，主要任务就是发送和接收信息，但它不能够转发信息，也不能让其他节点加入到网络中来。
一般EndDevice节点是由电池来供电的，但是为了减少电能的损耗，当它不工作的时候可以通过进入休眠状态来达到省电目的。
2.1.2拓扑结构
与一般网络的拓扑结构类似，Zigbee网络的拓扑结构一般有三种形式：
星
形拓扑、树形拓扑、网状拓扑：
2.1.2.1星形拓扑
星形拓扑形式相对来说是比较简单的，这种拓扑结构有两部分组成，一个是Coordinator节点，另一个是许多EndDevice节点，如图2-1所示。
Coordinator是任意两个EndDevice通信的中转站，也就是说EndDevice可以自如的与Coordinator进行通信，如果想与其他的EndDevice节点进行通信的话就必须先通过Coordinator节点进行信息的转发[]。
可以看出，一旦Coordinator节点出现问题，整个无线网络彻底不工作了。
图2-1星形拓扑结构
2.1.2.2树形拓扑
树形拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和EndDevice节点，如图2-2所示。
Coordinator既可以与Rout霄相连又可以与EndDevice相连，而它的Router子节点又可以连接一系列的Router和EndDevice节点，这样就形成了一个层次清晰的通信网络。
在这种拓扑结构中，连接相同父设备下的设备互相称作兄弟节点，而有连接相同祖父设备的设备互称作堂兄弟节点。
每一个节点设备都只能和他的父设备和子设备之间进行通信。
一个节点设备与另外一个节点设备相互收发信息，信息将顺着树的路径向上传递到最近的祖先设备，然后，再向下传递到目标节点设备。
和星形拓扑结构差不多，信息的路由通道是唯一的[]。
如果中间有一个路由节点出现问题，就会造成局部或大面积的系统阻塞。
图2-2树形拓扑结构
2.1.2.3网状拓扑
网状拓扑结构是由Coordinator、Router和EndDevice三部分组成，如图2-3所示。
网状拓扑比树形拓扑更具优势，有更加灵活的信息路由规则。
路由节点可以同另一个路由节点直接的进行信息传递。
这种规则大大改善了信息的通讯的有效率，假如无线传输网络中某个终端设备出现了问题，信息可以自动选择其他路由路径进行工作，这样的话信息传输的可靠性就得以保障。
图2-3网状拓扑结构
2.1.3Zigbee技术的特点
作为一种刚刚兴起的无线通信技术，Zigbee技术发展态势是相当的迅猛，当然，这和他自身的特点是离不开的。
同其他的无线传输技术相比，Zigbee技术具有很大的优势。
Zigbee的技术特点主要包括以下内容：
（1）功耗低：
因为工作时间比较短、收发信息功耗低，外加休眠模式，因此Zigbee节点非常省电，连续工作长达2年。
（2）数据传输可靠：
为了减少发送数据的错误，Zigbee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk．when．ready的碰撞避免机制，发送端不是随便就会发送信息的，只有发送的数据包收到接收方的确认信息后才可以发送。
（3）网络容量大：
一个Zigbee的网络可以容纳多达255个网络节点，其中，必须包括一个主控设备，其他的都是从属设备。
如果使用网络协调器（NetworkCoordinator）的话，整个网络最多可以支持超过64000个Zigbee网路节点，这时整个Zigbee网络节点的数目将相当的庞大。
（4）时延短：
一是进行通信时的时间延时短，二是从休眠模式跳转到正常工作模式的时间延时短。
（5）兼容性：
Zigbee技术与现有技术可以互相兼容，通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听、冲突检测（CSMA.CA）方式进行信道接入。
同时，利用全握手协议提高
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