基于无线传感网络的空气质量监测系统设计.docx

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基于无线传感网络的空气质量监测系统设计

摘要

空气品质对人的影响至关重要，利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用及监控系统的网络设计。

本系统采用无线传感器网络来实现数据的采集与发送。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

本设计系统采用CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、空气质量传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，通过RS－232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAREmbeddedWorkbench开发ZigBee协议栈，基于ZigBee的无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度等特点受到越来越多企业和个人的青睐。

空气质量监测系统特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合。

预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用,利用ZigBee技术完成传感器节点和汇聚节点的应用程序，最终能够实现空气质量的监测。

关键字：

无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；空气质量检测

ABSTRACT

Airqualityimpactonpeopleisveryimportant,usingsensorstodetectairqualityisnowapopularmethod,thispaperintroducesthesensorinairqualitytestingprinciple,analyzestheadvantagesanddisadvantagesofgassensor,andgassensordevelopmenttrendandprospects.

Thesystemuseswirelesssensornetworkstoachievedata’scollectionandtransmission.Wirelesssensornetworksarecomposedofalargenumberoflow-costmicro-sensornodeswhicharedeployedinthemonitoringregion,useswirelesscommunicationmeanstoformamulti-hop'sself-organizingnetwork,withtheaimofperception,collectionandprocessingofperceivedtargetinformationinthenetworkcoverageregion,andsendthemtoobservers.

ThissystemusesCC2430wirelesscommunicationmodule,temperatureandhumiditysensorDHT90,airqualitysensorQS-01,powermoduletobuildwirelesssensornetworks,andusesRS－232serialporttocommunicatewithmonitoringcenter.UsethesoftwaredevelopmentplatformIAREmbeddedWorkbenchtodevelopZigBeeprotocolstack.BasedontheZigBeewirelessnetworkingbylowcharacteristicsandsoonpowerloss,lowcost,lowcomplexityreceivesmoreandmoremanyenterprisesandindividualfavor.TheZigBeetechnologysuitsspeciallyinthedatavolumeofgoodshandledsmall,thenetworkconstructioninvestsfew,thenetworksecurityrequestishigh,inconvenientreplacesthebatteryorthechargesituationfrequently.Theestimateintheexpenseclasselectronicinstallation,thefamilyintellectualization,thelaborwillcontrol,medicaldomainsandsoondevicecontrol,agriculturalautomationobtainsthewidespreadapplicationThesecandefinitivelyachievethepurposeofairqualitymonitoring.

Keywords:

wirelesssensor;CC2430;DTH90;ZigBeetechnology;airqualitytesting

1绪论

1.1引言

1.2课题背景和研究意义

1.3无线传感器网络的研究进展

无线传感器网络相关的课题，国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线传感器网络及ZigBee的解决方案，而无线网络应用在生活中的研究也是刚刚起步[7]。

目前ZigBee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用ZigBee技术。

例如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。

以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过ZigBee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。

再如，ZigBee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。

此外，通过ZigBee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。

在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用ZigBee无线技术来传输相关数据。

在消费类电子方面，ZigBee技术可以替现在的红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。

现今我们也可以看到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中的门和窗上都安装了ZigBee网络，当有人闯入时，ZigBee可以控制开启室内摄像装置，这些数据再通过Internet或WLAN网络反馈给主人，从而实现报警[8]。

当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，用户可以通过ZigBee无线网络来控制这些产品的开启。

在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用ZigBee技术。

ZigBee在未来的几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee芯片的主要应用领域。

在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。

由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备，主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化，网络化，职能化和远程控制的设备来耕种。

在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因[8]。

在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络准确而且实时地监测病人的血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生的查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

在消费和家用自动化市场，可以联网的家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC外设，运动与休闲器械，儿童玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其它家用电器。

1.4论文的研究内容与组织结构

研究内容：

本论文研究了如何利用传感器检测空气质量及介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用,分析了当前气体传感器的特点,以及气体传感器的发展趋势和前景本包括系统的软硬、件设计及其具体实现，主要研究内容如下。

一是，目前我国采用的空气质量监测方法的研究，基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究意义和无线传感器网络的概述，概述包括基本概念、结构、体系结构、特点、应用、关键技术和网络拓扑结构。

二是，该系统的硬件设计。

该系统采用符合IEEE802.15.4标准的ZigBee无线技术来实现网络中节点间的无线通信。

温湿度传感器节点由西安华凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模块，温湿度传感器DHT90和两节五号电池组成。

气体传感器节点由西安华凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模块，空气质量传感器QS-01和5V锂电池组成。

研究了HFZ－CC2430EM－22模块的结构、特性和CC2430芯片的内部结构、外在电路；研究了DHT90的工作原理并实现了传感器通信，最终焊接制作出温湿度传感器节点。

汇聚节点由西安华凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模块和SmartRF07DB母板组成。

主要应用母版的串口电路和电源模块，因为汇聚节点一直处于工作状态因此选择持续的USB供电方式，通过串口连接汇聚节点和PC机并显示测试数据，而串口电平与TTL电平幅值不同无法直接相连，因此需要串口电路转换电平。

三是，该系统的软件设计。

论文研究了德州仪器开发的ZigBee协议栈Z－Stack的软件构架，并在IAR集成开发环境中开发该协议栈，根据传感器节点和汇聚节点的应用流程添加自己的温湿度采集应用程序和修改主文件中的任务处理函数，最终实现功能。

论文结构：

共分为5章，结构安排如下：

第1章：

绪论。

介绍了目前的空气质量监测方法，课题的研究背景及研究意义，无线传感器网络的研究进展和论文的主要研究内容和组织框架。

第2章：

无线传感器网络概述。

介绍了无线传感器网络的基本构架、体系结构、特点、应用和关键技术。

第3章：

空气质量监测系统硬件设计。

介绍了ZigBee技术，系统的总体结构设计，传感器节点和汇聚节点的硬件设计。

第4章：

空气质量监测系统软件设计。

介绍了ZigBee协议栈，IAR集成开发环境，传感器节点和汇聚节点的应用程序设计。

第5章：

总结与展望。

总结本论文所做的工作，提出现有方案的不足之处，并对下一步工作进行了展望。

2无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络简介

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。

发达国家如美国，非常重视无线传感器网