ZigBee在室内环境监测系统中的应用研究

王轶君

摘 要：本文基于ZigBee无线传感器网络在室内环境监测系统中的应用，对整个系统所涉及的软硬件设备进行了详细分析，表明基于ZigBee的室内环境监测系统具有维护简单、扩展与布网灵活等多方面的优越性。

关键词：ZigBee;传感器;室内环境;监测系统

中图分类号：TN929.5;TP274 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0014-02

Abstract： Based on the application of ZigBee wireless sensor network in indoor environmental monitoring system， the hardware and software equipment involved in the whole system were analyzed in detail， which showed that ZigBee-based indoor environmental monitoring system had superiority of the aspect about simple maintenance， expansion and flexible deployment.

Keywords： ZigBee;sensor;indoor environment;monitoring system

在建筑施工過程中，家装、家具所带来的室内环境污染问题不仅降低了整体的大气质量，也对人们的生命安全构成了极大威胁，因此，相关部门必须要重视和改善该问题，意识到室内环境污染问题的严峻性，在实际中加强监测与治理。但目前，监测和治理技术发展还不成熟，很多地区依然采用人工采样、实验室分析的监测方式进行，不仅效率低，而且成本高、耗时长，因此，建筑施工单位急需应用新的监测手段。基于ZigBee的无线传感器网络监测技术，克服了传统监测的弊端，具有广阔的应用与发展前景。

1 室内环境监测系统的硬件设计

室内环境监测系统主要由主机中央监控、中心节点、终端分节点、显示与传感器模块构成，采用基于ZigBee的星型拓扑结构。该监测系统适用于传输距离近、环境干扰大、数据传输大的环境，主机是核心设备，负责数据传输与处理，并能够调节与控制整体设备，是人机交互的接口，通过RS232接口连接节点，所有节点都使用CC2430芯片。通过该芯片所集成的无线收发模块，可以实现与终端节点的实时通信。而终端节点可以通过传感器与信号处理模块，实时对收发信息进行处理与监测，进而达到监测室内环境的目的，从而将所获得的监测参数上传至中央监测计算机系统内部，实现监测信息的传递与处理。

1.1 中心节点设计

中心节点在整个监测系统中是通信与控制的核心载体，借助于RS232串口与其他设备相连接，实现人机交互，从而实现整个系统的高可视性与可控性，实现系统的有效控制与监测信息的高效率传输。终端节点所获得的数据皆通过中心节点进行传输与处理，进而起到对系统的调节与控制功能。在整个系统中，功能模块设计对整个系统的顺利运行起着至关重要的作用，通过设定相关参数，实现对整体系统报警与调节的作用。

中心节点具有多方面的功能模块，主要包括调节输出、报警、显示等，这些模块保证了中心节点在整个系统中的关键作用。调节输出模块依托于光电隔离、耦合作用，与外围驱动电路连接，有效实现了整体设计中所涉及的设备调节与控制，从而实现设备整体的自动调节与控制功能。报警模块通过借助P0.3接口与驱动电路，当光、声设备超过预定参数设定时发出预警。显示模块则可以根据供电情况选择LCD显示器或LED显示器。一旦局域网络系统脱离中央系统独立运作，将会在功能按键作用下，借助显示模块传输相关信息，实现中心节点与终端设备的实时通信，实现对整体监测系统的控制，而中心节点负责上传下达的主机数据传输，起着重要的纽带作用。

1.2 终端子节点设计

终端节点是带有传感器的网络子节点，负责对室内环境参数如温度、湿度、光照、甲醛等进行实时监测，因此必须借助数字式传感器与辅助电路等硬件，包含信号处理电路等。本文所概述的整个系统采用数字传感器模块，其中，温湿度传感器为SHT11，独特的接口设计满足了传感器模块需要。根据系统整体运行与终端节点情形，还可以选择功能模块，如显示、报警等模块，用于监测过程中光、声提示、参数设定等。中心节点与终端节点之间所存在的上下行数据，实现了最终监测数据的上传下达，保证了监测结果的实时与高效传输，保证了主机在监测中发挥重要作用。终端节点运行依托于电池供电。ZigBee技术的优越性体现在其节能设计上，运行功耗低，休眠模式下的能耗极低，可以通过外部或定时中断功能实现RTC唤醒系统，在待机模式下，电能消耗低，保证了电池的使用寿命。

2 室内环境监测系统的软件设计

2.1 中心节点程序设计

中心节点程序设计复杂且种类繁多，涉及主程序、数据巡回采集与处理子程序、显示与报警子程序及键盘扫描程序等。主程序需要结合整体系统的功能模块进行设计，要确保中心节点与主机系统结合运行，注意避免中心节点脱离主机的工作状态。因此，设计中要符合主从工作模式，还要实现显示、报警等中断服务。中心节点主程序通过主动模式，按照固定顺序从终端节点获得所需数据。

2.2 终端节点程序设计

终端节点的重要功能是实现传感器连接，其主程序在开始后即进入了初始化阶段，使终端节点连续读取多个传感器状态与参数，并将最终运算结果加以存储与显示。在读取传感器数据后，管理部门需要检查中心节点数据，如果不存在呼唤，则返回检测传感器的最初状态;否则就进行子程序的数据调用过程，多次进行后进入下一轮的数据采集过程。如果读取的数据信息超过了系统本身的限制，则需要中断服务子程序。

3 检测结果及分析

本次实验采用PCB天线，ZigBee无线网络的通信距离理论值控制在10cm以内，但传输距离受到其他因素制约，因此，为了延长传输距离，可以使用带鞭状天线的射频模块或者CC2591。对于不同对象与不同传感器模块，本文以温湿度传感节点为研究对象，分析了整体室内环境监测系统的功能，并針对该实验的测试结果，实现了对室内温湿度指标的实时监测。在本实验中，所使用的温湿度传感器为SHT11型号的温度、湿度测量设备，通过该数字传感器，实现监测数据在主机系统的最终显示。通过显示结果，可以直接进行传感器数据分析与利用，直观观测湿度与电池电压的实时变化;湿度显示精度更高，达到了小数点后两位;温度变化范围更大，可显示零度以下，能够满足更多的观测需求。

根据实验结果，温度为20.23℃，相对湿度为50%。温度误差控制在±0.5℃范围内，而湿度误差控制在5%以内。由实验结果可得，温湿度传感器所监测的数据满足室内环境监测的实际需求。实验显示，主机显示的实时监测数据随着室内环境的变化而变化，但当监测参数超过规定限制时，整个系统会及时响应，对超限参数等发出报警。

4 结语

有关结果显示，ZigBee技术在室内环境监测系统中的应用突破了传统环境监测方式的局限性，实现了监测过程的高效性，具有极强的可操作性，且维护简单、适用性强，在一定程度上降低了施工成本，提高了监测效率，实现了室内环境管理的智能化与现代化，具有一系列技术优势。因此，在未来，该监测技术具有广阔的应用前景，通过完善该技术，能够扩宽其应用领域，创造巨大的经济效益和社会效益。

参考文献：

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