【文章內容簡介】 隊，成功研制的室內空氣質量實時檢測裝置，具有智能型、高靈敏、可隨 時隨地檢測空氣質量等特點 [3]。 國內研究現(xiàn)狀 跟國外相比 ,我國近幾年才開始對室內空氣質量進行研究 ,我國從事住宅室內空氣污染的研究始于 70 年代。目前，空氣凈化涂料對污染物的凈化功能的評價大多依據(jù)JC/T1074— 2021《室內空氣凈化功能涂覆材料凈化性能》標準進行，該標準中涉及甲醛和甲苯兩個凈化指標 [4]。 國家“十二五”計劃也將“室內空氣凈化”列為扶持行業(yè)。，2021 年，“中華人民共和國衛(wèi)生部 80 號令”規(guī)定了室內空氣凈化的各項條款，為這一行業(yè)正規(guī)化發(fā)展奠定了堅實基礎。 為了規(guī)范市場，國家環(huán)保產品 質量監(jiān)督檢驗中心、福州大學光催化研究所和中國標準化研究院等單位起草了《凈化空氣用光催化劑GB/T278702021》國家質量標準，該標準并于 2021 年開始實施 [5]。 2021— 2021 年，中國建筑裝飾協(xié)會公布了一個的抽樣檢測數(shù)據(jù)報告。該報告是關于家居環(huán)境和室內裝飾材料的，報告公示了幾項空氣主要污染物包括甲醛、苯化合物等致癌物質多達 23 種，他們超標率分別高達 82%，和 77%，并表示疾病與室內空氣污染相關。目前，國家出臺的室內空氣檢測標準有《室內空氣質量標準》 GB/T188832021 和《 民用建筑工程室內環(huán)境污染控制規(guī)范 》 GB503252021。據(jù)了解，空氣凈化器新國標的“征求意見稿”已經(jīng)審批通過，有望在 2021 年上半年正式出臺。在新國標中，強化了一個核心指標即 CADR值。 CADR 值指的是潔凈空氣量，是空氣凈化器每小時能夠輸出的潔凈空氣體積，這一數(shù)值越大，表示產品的凈化速度越快。 本文研究內容 本設計主要是通過傳感器和 Zigbee 模塊搭建一個基于 Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡的室內空氣質量檢測儀。首先，是通過各種傳感器對室內甲醛、苯、甲苯、氨氣、總揮發(fā)性有機物 TVOC 等空氣污染物進行檢測，然后將檢測到的指標參數(shù)傳送給 Zigbee 模塊。最后， Zigbee 通過無線傳感網(wǎng)絡將接收的數(shù)據(jù)傳送到主控端進行空氣質量指標的顯示和監(jiān)控。如果檢測到某些空氣污染物超標的話，就會發(fā)出報警來提醒用戶采取相應的措施 。 室內空氣質量檢測儀要達到的技術指標如下： （ 1）網(wǎng)絡容量：一個 Zigbee 的網(wǎng)絡可以容納多達 255 個網(wǎng)絡節(jié)點； （ 2）工作時間：工作時間 比較短、收發(fā)信息功耗低，連續(xù)工作長達 2 年； （ 3） MQ135 氣體傳感器：可以偵測有害氣體的體積濃度為： 10 1000ppm，適用齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 3 于氨氣、硫化物、苯系蒸汽、煙霧和其它有害氣體的檢測； （ 4） DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器 ：測量空氣濕度范圍：從 20％ RH 到 90％ RH，測量空氣溫度范圍：從 0℃到 50℃。 當前，室內空氣檢測的主要依據(jù) 是《室內空氣質量標準》和 GB/T188832021 和《 民用建筑工程室內環(huán)境污染控制規(guī)范 》 GB503252021[6]。室內空氣檢測項目見表 11。 表 11 室內空氣檢測國家標準項目 序號 項目類別 項目名稱 標準限制 備注 1 物理性 溫度 22 28 ℃ 16 24 ℃ 夏季空調 冬季采暖 2 相對濕度 4080 % 3060 % 夏季空調 冬季采暖 3 空氣流度 ≤ /s ≤ /s 夏季空調 冬季采暖 4 新風量 ≥ 30m3 /(h 人 ) 5 化學性 甲醛 HCHO ≤6 氨 NH3 ≤7 苯 C6H6 ≤8 甲苯 C7H8 ≤9 二甲苯 C8H10 ≤10 總揮發(fā)性有機物 TVOC ≤11 臭氧 O3 ≤12 二氧化硫 SO2 ≤13 二氧化氮 NO2 ≤14 一氧化碳 CO ≤10mg/m3 1h 均值 15 二氧化碳 CO2 ≤ % 日平均值 16 苯并 [a] 芘 B(a)P ≤17 可吸入顆粒 PM10 ≤18 生物性 菌落總數(shù) ≤2500cfu/m3 依據(jù)儀器定 19 氡 222Rn ≤400Bq/m3 年平均值 空氣質量指數(shù)（ Air Quality Index，簡稱 AQI）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數(shù)。參與空氣質量評價的主要污染物為 細顆粒物 、可吸入 顆粒物 、 二氧化硫 、 二氧化氮 、臭氧 、 一氧化碳 等六項?？諝赓|量指數(shù)級別見表 12。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 4 表 12 空氣質量指數(shù)級別 空氣質量指數(shù) AQI 空氣質量指數(shù)級別 空氣質量指數(shù)及表示顏色 對健康的影響 建議采取的措施 050 Ⅰ 優(yōu) 綠色 空氣質量令人滿意，基本無空氣污染。 各類人群可正?；顒? 51100 Ⅱ 良 黃色 空氣質量可接受，某些污染物對極少數(shù)敏感人群健康有較弱影響。 極少數(shù)敏感人群應減少戶外活動 101150 Ⅲ 輕度污染 橙色 易感人群有癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀。 老人、兒童、呼吸系統(tǒng)等疾病患者減少長時間、高強度的戶外活動 151200 Ⅳ 中度污染 紅色 進一步加 劇易感人群癥狀，會對健康人群的呼吸系統(tǒng)有影響。 兒童、老人、呼吸系統(tǒng)等疾病患者及一般人群減少戶外活動 201300 Ⅴ 重度污染 紫紅色 心臟病和肺病患者癥狀加劇運動耐受力降低，健康人群出現(xiàn)癥狀 兒童、老人、呼吸系統(tǒng)等疾病患者及一般人群停止減少戶外運動 300 Ⅵ 嚴重污染 褐紅色 健康人群運動耐受力降低，有明顯強烈癥狀，可能導致疾病 兒童、老人、呼吸系統(tǒng)等疾病患者及一般人群停止戶外活動 本課題用到很多技術，所以要對主要芯片和所用語言進行學習和總結，除此之外，還要對無線傳感網(wǎng)絡核心部分 Zigbee 和傳感器進行研究。 首先，我對無線傳感器網(wǎng)絡的總體結構進行總結分析，尤其對傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術進行詳細的介紹。 其次，在硬件方面，對基于 Zigbee 的室內空氣質量檢測儀進行硬件電路設計，包括CC2530 最小系統(tǒng)電路、天線電路、傳感器電路等單元電路設計。 再次，在軟件方面，對設計的各種程序進行設計。包括傳感器的采集和處理數(shù)據(jù)的程序、 Zigbee 終端節(jié)點和協(xié)調器的收發(fā)信號的網(wǎng)絡協(xié)議程序設計、上位機軟件讀取串口和顯示數(shù)據(jù)程序和安卓手機客戶端的應用程序等等。 最后，通過搭建一個由主控 Zigbee 芯片、傳感器、顯示 部分和控制部分組成的室內空氣質量檢測儀。經(jīng)過寫入程序、調試，最后實現(xiàn)空氣質量的基本指標的顯示和污染物的檢測，污染物超標則進行報警。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 5 文本結構 本設計是通過傳感器和 Zigbee 模塊搭建完成一個利用 Zigbee 無線傳感技術的室內空氣質量檢測儀。全文共分為 6 個章節(jié)： 第 1 章 緒論，講解了室內空氣質量檢測儀的研究背景，同時還講解了國內和國外在空氣質量檢測的領域現(xiàn)在的研究成果。 第 2 章 Zigbee 技術簡介，主要對 Zigbee 的基本概念解釋，包括設備類型、拓撲結構、 Zigbee 技術的特點。除此之外，還對 標準進行說明，重點 Zigbee 協(xié)議體系結構講解。 第 3 章 系統(tǒng)總體設計方案規(guī)劃，總體對室內空氣質量檢測儀設計進行介紹，包括系統(tǒng)功能實現(xiàn)的介紹，硬件規(guī)劃、軟件規(guī)劃等。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計，包括所選用的主控芯片，傳感器使用和功能介紹。主要是最小系統(tǒng)設計和各個模塊電路規(guī)劃等，還有就是系統(tǒng)的硬件設計原理圖。 第 5 章 系統(tǒng)軟件設計，簡單介紹設計所需要的軟件使用方法等。然后，對設計所需要的重要程序講解，包括初始化程序、系統(tǒng)主控程序、子程序等。還有就是對設計所用到的上位機程序和安卓應用程序進行了功能 介紹。 第 6 章 系統(tǒng)的仿真、制作與測試，本章對系統(tǒng)的軟件和硬件進行仿真、制作、調試和測試。最后，進行實物制作，完成設計。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 Zigbee 技術簡介 Zigbee 技術是一種近距離、相對簡單、低功耗、傳輸速率低、廉價的可以雙向通信的無線通訊網(wǎng)絡技術。它是在 無線標準的基礎上研發(fā)出來的一種有關組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡安全和軟件應用等方面的無線網(wǎng)絡通訊技術。 Zigbee 基本概念 Zigbee 技術是一種近距離、相對簡單、低功耗、傳輸速率低、廉價的可以雙向通信的無線通訊網(wǎng)絡技術。它是在 無線標準的基礎上研發(fā)出來的一種有關組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡安全和軟件應用等方面的無線網(wǎng)絡通訊技術 [7]。 其特點是傳輸距離近、復雜度低、具有自組織性、功耗低、傳輸速率低、廉價等。應用范圍廣泛，可以與其他設備組合在無線控制和監(jiān)測控制等方面使用?？傊?Zigbee 技術是一種廉價的，節(jié)省能源的，短路程的無線通訊網(wǎng)絡技術。 設備類型 在 Zigbee 網(wǎng)絡中存在三種邏輯設備類型： Coordinator(協(xié)調器 )， Router(路由器 )和EndDevice(終端設備 )[8]。 Zigbee 網(wǎng)絡有且只 有一個 Coordinator，除此之外，還有許多Router 和一些 End_Device 共同組成。 Coordinator(協(xié)調器 ) 協(xié)調器負責啟動整個網(wǎng)絡。它也是網(wǎng)絡的第一個設備。協(xié)調器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡 ID(也稱之為 PANID，即 PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動整個網(wǎng)絡。協(xié)調器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡中安全層和應用層的綁定 (bindings)。協(xié)調器的角色主要涉及網(wǎng)絡的啟動和配臵。一旦這些都完成后，協(xié)調器的工作就像一個路由器 (或者消失 goaway)[9]。因為 Zi gbee 無線網(wǎng)絡自身的特點，所以接下來整個網(wǎng)絡的操作就不再依賴協(xié)調器存在而存在?？傮w來說 Coordinator 的主要任務有以下四個： （ 1）在 2400MHz 到 的頻段中選擇網(wǎng)絡所使用的頻率通道。 （ 2）開始組建一個無線網(wǎng)絡。 （ 3）接收其他節(jié)點的請求信息，然后，選擇性的允許其他節(jié)點加入到剛組建中網(wǎng)絡中來。 （ 4）它通常還會提供信息路由，安全管理和其他的服務。 Router(路由器 ) 路由器主要作用有 :一是允許其他的設備加入本網(wǎng)絡，二是多跳路由可以協(xié)助它自己齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 7 和終端設備的正常通 訊。通常，路由器希望是一直處于活動狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。不過，當處于樹狀網(wǎng)絡拓撲結構，允許路由會周期性的間隔操作，這樣會大大的減少功耗，因此，可以使用電池供電。 Router(路由器 )主要有以下兩個任務： (1)在網(wǎng)絡中，路由器為節(jié)點轉發(fā)信息從而完成整個網(wǎng)絡通信。 (2)允許在他附近的子節(jié)點通過發(fā)送請求由自己加入整個網(wǎng)絡中。 EndDevice(終端設備 ) 終端設備沒有特定的維持網(wǎng)絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設備。通常，終端設備對存儲空間 (特別是 RAM 的需要 )比較小。EndDevice 一般處于網(wǎng)絡的邊緣，主要任務就是發(fā)送和接收信息，但它不能夠轉發(fā)信息，也不能讓其他節(jié)點加入到網(wǎng)絡中來。一般 EndDevice 節(jié)點是由電池來供電的，但是為了減少電能的損耗，當它不工作的時候可以通過進入休眠狀態(tài)來達到省電目的。 拓撲結構 與一般網(wǎng)絡的拓撲結構類似， Zigbee 網(wǎng)絡的拓撲結構一般有三種形式：星 形拓撲、樹形拓撲、網(wǎng)狀拓撲： 星形拓撲 星形拓撲形式相對來說是比較簡單的，這種拓撲結構有兩部分組成，一個是Coordinator 節(jié)點，另 一個是許多 EndDevice 節(jié)點，如圖 21 所示。 Coordinator 是任意兩個 EndDevice 通信的中轉站，也就是說 EndDevice 可以自如的與 Coordinator 進行通信，如果想與其他的 EndDevice 節(jié)點進行通信的話就必須先通過 Coordinator 節(jié)點進行信息的轉發(fā) [10]。 可以看出，一旦 Coordinator 節(jié)點出現(xiàn)問題，整個無線網(wǎng)絡徹底不工作了。 C o o r d i n a t o rE n d D e v i c e 圖 21 星形拓撲結構 樹形拓撲 樹形拓撲包括一個 Coordinator 以及一系列的 Router 和 EndDevice 節(jié)點，如圖 22所示。 Coordinator 既可以與 Rout 霄相連又可以與 EndDevice 相連，而它的 Router 子節(jié)點又可以連接一系列的 Router 和 EndDevice 節(jié)點，這樣就形成了一個層次清晰的通信網(wǎng)絡。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 8 在這種拓撲結構中，連接相同父設備下的設備互相稱作兄弟節(jié)點，而有連接相同祖父設備的設備互稱作堂兄弟節(jié)點。每一個節(jié)點設備都只能和他的父設備和子設備之間進行通信。一個節(jié)點設備與另外一個節(jié)點設備相互收發(fā)信息，信息將順著樹的 路徑向上傳遞到最近的祖先設備，然后，再向下傳遞到目標節(jié)點設備。和星形拓撲結構差不多，信息的路由通道是唯一的 [11]。 如果中間有一個路由節(jié)點出現(xiàn)問題，就會造成局部或大面積的系統(tǒng)阻塞。 C o o rd i n a t o rR o u t e