無線傳感網絡下的環境凈化系統設計
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隨著環境問題的日益嚴重霧霾天氣不斷困擾著人們，如何檢測空氣質量以及進行室內環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技術的智能環境凈化系統。該系統能夠檢測室內外的PM2.5濃度，并根據室內外的PM2.5濃度差自動進行通風、關窗、凈化空氣等操作。該系統可以對室內外多處設點檢測，檢測效果較好。改革開放以來，在我國經濟飛速發展的同時也帶來了一系列的問題，環境污染，大氣污染，霧霾天氣等等。隨著環境問題的日益嚴重，已經逐漸影響到居民的生活和身體健康。空氣中的粉塵顆粒污染物有很多，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，甚至引發癌癥。因此，需要一款能夠根據環境情況進行室內環境凈化的系統。而無線傳感器網絡直接感知客觀世界，將信息的產生和感知也包括在其中，非常適合環境監測方面的應用。因此本項目基于無線傳感網絡，對室內外的空氣質量進行監測的同時智能進行室內空氣調節。
1無線傳感網絡的基本原理
可以在需要監測的區域放置一定數量的傳感器，傳感器節點檢測到被測區域的PM2.5濃度后通過無線的方式傳輸給管理節點也就是用戶，用戶對數據進行處理顯示。無線傳感網絡模型如圖1所示，由傳感器節點、互聯網、管理節點、用戶構成。它由傳感器節點采集信息并通過無線網絡傳輸給用戶。無線傳感網絡(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一技術標準的短距離無線通信技術。它使用IEEE802.15.4協議標準，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層根據用戶自己的應用需求制定。因此，它的組網形式更加靈活機動。本系統采用全球通用的免費的工業、科學頻段2.4GHz。樹型拓撲結構、星型拓撲結構和網狀拓撲結構是ZigBee技術網絡的3種網絡拓撲結構。
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，檢測性能穩定，它使用數字化輸出集成度高。因此，可以較為準確的檢測出PM2.5和PM10的濃度。SDS011使用96008N1串口通訊協議。波特率為9600，數據10字節為1幀，構成方式如式（1）。報文頭+指令號+數據(6字節)+校驗和+報文尾（1）
3系統硬件設計
本智能環境凈化系統在室內不同的房間和室外多處設立監測點，實時監測空氣中PM2.5的含量，通過無線傳感網絡傳遞給室內系統主控，通過對室內外的PM2.5的含量的對比，從而確定不同的環境凈化方案。本系統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PM2.5含量則自動開窗進行通風，當室外PM2.5含量高于室內PM2.5含量則自動關窗避免外界的有害氣體進入室內，同時判斷室內PM2.5含量的濃度，若室內已達到中度及以上污染程度，則打開空氣凈化器。空氣質量等級劃分如表1所示。本系統的硬件框架如圖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，檢測數據發送給CC2530，CC2530接收到數據后存儲在存儲器里并通過天線發送出去。圖2中（b）為協調器硬件框圖。協調器包括CC2530、LCD、PC、自動窗戶、空氣凈化器、存儲器、電源、天線等。協調器通過天線接收到數據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點的數據。CC2530對接收到的數據進行判斷，從而選擇是進行窗戶的開關操作，還是進行凈化室內空氣的操作。同時CC2530還可以通過串口連接到PC機，將檢測數據實時顯示在PC上。
4程序主要實現結果
該智能環境凈化系統主控部分的硬件實物圖如圖3所示，為協調器的硬件實物圖。該系統配備電池，小巧方便可直接使用。系統使用的液晶顯示器是12864，終端設備檢測的多路數據可實時的顯示在液晶屏上。硬件配備有PL2303,實現了全雙工異步串口通信裝置RS232到USB的接口轉換。為了節省空間，使設備更加小巧，系統使用miniusb口，將數據通過usb口傳輸至PC機，進行數據的后續顯示和處理。系統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，查看端口數據，然后按照接收端設備的數據進行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。可根據需要添加不同的PM2.5監測點，也可以將一段時間內檢測到的監測數據以圖形的形式進行輸出。
5結論
經過對多路終端的單獨調試，以及協調器的調試，本系統能夠快速進行多區域的PM2.5檢測接收并在LCD上顯示，同時還能將數據實時傳輸至PC機進行后續處理控制。能夠根據空氣質量等級劃分，智能的判斷室內外的空氣質量優劣，從而進行不同的空氣凈化工作。經過測試，該程序性能穩定，效果良好，實現了相應功能。
作者：尚麗娜 張翠 單位：浙江大學城市學院
