【文章內容簡介】 [J].電測與儀表,2014,01:8588.]。 Zigbee協(xié)議體系結構Zigbee的體系結構由稱為層的各模塊組成。底層為上層提供服務：即由數(shù)據(jù)服務實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供所有的其他管理服務。服務實體是由服務接入點(SAP)為他上層提供接口，每個服務接入點利用服務原語完成其各項功能。Zigbee協(xié)議的體系結構如圖24所示：圖 24 Zigbee協(xié)議的體系結構 物理層（PHY）物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層內容如下：（1）Zigbee的激活；（2）當前信道的能量檢測；（3）接收鏈路服務質量信息；（4）Zigbee信道接入方式；（5）信道頻率選擇；（6）數(shù)據(jù)傳輸和接收。 介質接入控制子層（MAC）MAC層負責處理所有的物理無線信道訪問，并產生網絡信號、同步信號；支持PAN連接和分離，：（1）網絡協(xié)調器產生信標；（2）與信標同步；（3）支持PAN(個域網)鏈路的建立和斷開；（4）為設備的安全性提供支持；（5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多址接入(CSMACA)機制；（6）處理和維護保護時隙(GTS)機制；（7）在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。 網絡層（NWK）網絡層是Zigbee協(xié)議棧的最主要組成部分。網絡層主要功能：一是控制節(jié)點連接或斷開網絡，二是納入或移除其他網絡節(jié)點，三是查找節(jié)點和傳送數(shù)據(jù)等。功能如下：（1）網絡發(fā)現(xiàn)；（2）網絡形成；（3）允許設備連接；（4）路由器初始化；（5）設備同網絡連接；（6）直接將設備同網絡連接；（7）斷開網絡連接；（8）重新復位設備；（9）接收機同步；（10）信息庫維護。 應用層（APL）Zigbee應用層框架由應用支持層、Zigbee設備對象和制造商所定義的應用對象三部分組成。應用支持層的功能：一是維持綁定表，二是為綁定的設備傳遞消息。Zigbee設備對象的功能包括：（1）規(guī)定各個設備在網絡中所扮演角色(如協(xié)調器和終端設備)；（2）發(fā)起和響應綁定請求；（3）在網絡設備之間建立安全機制；（4）負責發(fā)現(xiàn)網絡中的設備，并且決定向他們提供何種應用服務。 應用程序框架（AF）用戶可以自己設計應用的對象，通過設計編寫應用程序，程序要依據(jù)profile規(guī)范進行編寫，然后在Zigbee協(xié)議棧上運行。在Zigbee應用中，提供2種標準服務類型：一個是鍵值對（KVP），另一個是報文（MSG）。 Zigbee設備對象（ZDO）ZDO是特殊的應用對象，它在端點（entire）0上實現(xiàn)。放置在較遠地方的節(jié)點設備向ZDO發(fā)送請求，當其他設備收到請求信息時，ZDO就會通過對對象的設置從而取得所需要的描述符的符值。ZDO使用APS層的APSDESAP和網絡層的NLMESAP實現(xiàn)這些功能，Zigbee設備對象（ZDO）的功能包括：（1）管理對網絡中的設備進行角色設置；（2）對關聯(lián)請求進行初始化設置；（3）負責設備之間信息傳遞的安全保障。第3章 系統(tǒng)總體設計方案規(guī)劃本章主要是講室內空氣質量檢測儀設計的總體規(guī)劃。其中，包括系統(tǒng)的各項性能設想，系統(tǒng)要實現(xiàn)什么樣的目標，達到什么樣的要求。主要解釋了系統(tǒng)的總體的設計方案，包括系統(tǒng)的硬件的思路、焊接步驟和軟件編寫思路。其中，對系統(tǒng)所使用的各個元器件進行進一步的講解。 系統(tǒng)功能規(guī)劃本設計主要是通過傳感器、Zigbee模塊、上位機程序和安卓手機應用程序搭建一個基于Zigbee無線傳感網絡的室內空氣質量檢測儀?？諝赓|量檢測儀基于Zigbee的無線傳感網絡，更加方便、快捷，適用于新房入住和剛裝修完的房子的空氣質量檢測，也可以對室內空氣質量進行實時檢測，尤其老人、孕婦、兒童等抵抗力弱的人群更加需要?？諝赓|量檢測儀需要具備以下功能要求：（1）監(jiān)測范圍廣：系統(tǒng)監(jiān)測需要覆蓋區(qū)域內的各個范圍，每個房間就需要設置一個監(jiān)測點，人流量大的地方需要加大監(jiān)測點密度；（2）監(jiān)測項目多：、二氧化硫、氨氣、一氧化氮、溫濕度、苯的化合物等空氣指標；（3）監(jiān)測頻率高：24小時不間斷監(jiān)測，至少每隔十分鐘監(jiān)測一次；（4）數(shù)據(jù)采集、分析功能：利用傳感器自動采集數(shù)據(jù)，然后通過模數(shù)轉換等將采集的數(shù)據(jù)轉化成電信號；（5）數(shù)據(jù)發(fā)送、存儲功能：通過無線網絡將得到的監(jiān)測信息發(fā)送給上位機服務器，并保證監(jiān)測信息能夠實時地存儲到服務器中的數(shù)據(jù)庫，便于觀測者訪問監(jiān)測信息；（6）監(jiān)測信息處理功能：監(jiān)測信息被實時保存到數(shù)據(jù)庫中，相關人員可以通過相應的應用軟件高效地訪問數(shù)據(jù)庫，得到有關的信息，從而清楚地了解到各地的空氣質量情況；（7）反應速度快：系統(tǒng)各模塊的處理能力應適應周圍空氣質量的變化狀況，一旦發(fā)現(xiàn)空氣質量異常,能夠快速地作出反應,及時產生報警等有效措施。 系統(tǒng)設計方案根據(jù)系統(tǒng)的應用需求，本文設計的室內空氣質量檢測儀可以分為三層結構：資源層、中間層及應用層，如圖31所示。圖 31 室內空氣質量檢測儀資源層：是該系統(tǒng)設計中的最下面的一層，它保證了系統(tǒng)的正常運行。這層的功能是對硬件進行管制，包括傳感器如何進行網絡連接，數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的整理等[[] Ibrahim AlAdwan, Munaf S. N. AlD, “The Use of Zigbee Wireless Network for Monitoring and Controlling Greenhouse Climate,” International Journal of Engineering and Advanced Technology,ISSN: 22498958, Volume2, Issue1, 2012,12:245247.]。各個傳感器進行監(jiān)測時，都會對相關信息進行記錄保存（例如監(jiān)測時間、地點、檢測物類型、含量等），這些信息最終會實時存入服務器中的數(shù)據(jù)庫，形成報表形式，便于工作人員查閱。中間層：這是管理傳感器網絡體系結構的核心層。該層主要包括執(zhí)行管理、分布式數(shù)據(jù)挖掘活動和傳感器注冊表及控制的功能。服務層：服務層可以獲取資源層的信息，即是說，允許應用程序訪問數(shù)據(jù)庫中存儲的關于監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)調用到自己的程序中，為己所需?？傮w設計框架如上所說，它涉及到了很多的學科領域，需要結合龐大的知識體系，才能最終完成該系統(tǒng)的設計任務。由于個人時間和精力有限，加上知識面的局限性，本人重點完成了該系統(tǒng)中的底層（資源層）的設計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、分析、發(fā)送等功能，主要包括資源層硬件電路搭建以及驅動程序的編寫。對服務器中的數(shù)據(jù)庫操作以及應用程序的開發(fā)還不具備相關經驗，因此，在本文的主要內容中沒有過多介紹，只是擁有對該系統(tǒng)的整體構想（如上所說），這將是本人或者其他有興趣者研究的方向。 系統(tǒng)的硬件設計傳統(tǒng)的空氣污染監(jiān)測方法有定點和移動兩種。定點監(jiān)測，在需要監(jiān)測的范圍內放置監(jiān)測設備和布線，同時需要有人進行監(jiān)管。缺點是適應性差，不能隨著檢測目標的改變而進行變化。移動監(jiān)測，一般是將監(jiān)測設備放在可移動的物體上，在監(jiān)測范圍內來回移動，在移動的過程中采集相關數(shù)據(jù)[[] 洪鋒,褚紅偉,金宗科,單體江,[J].計算機研究與發(fā)展,2010,S2:8187.]。與定點監(jiān)測相比，優(yōu)勢還是比較明顯，如方便靈活、重組性高、可以根據(jù)需要進行改變。本文并結合Zigbee技術的低成本、網絡容量大、低功耗、高可靠性等優(yōu)點，本系統(tǒng)將采用Zigbee組網的方式組成無線傳感器網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，將采用部署無線傳感器網絡定點監(jiān)測節(jié)點的方式對空氣污染進行監(jiān)測。室內空氣質量檢測儀硬件總體結構如圖32所示。圖 32 室內空氣質量檢測儀硬件總體結構系統(tǒng)主要的硬件設備包括：（1）傳感器每個終端節(jié)點連接不同的傳感器，比如：DHT1MQMQ135等傳感器。根據(jù)特定的應用環(huán)境選擇相應的傳感器。這些傳感器可以根據(jù)所測物質的變化采集數(shù)據(jù)，轉化為電平變化，然后，再經過A/D轉化為自己所需要的信號傳送給終端節(jié)點。（2）終端節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)測終端節(jié)點主要任務是收集各種傳感器采集的信息，、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、溫濕度等，并適當?shù)奶幚?、管理和存儲，最后把這些數(shù)據(jù)按照Zigbee協(xié)議發(fā)給路由器，在Zigbee網絡中，這些節(jié)點可以作為路由器節(jié)點中轉數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)路由器路由器是為了增強Zigbee網絡的穩(wěn)定性而加入到網絡中的設備，其主要的作用是看管其他終端節(jié)點。它在Zigbee網絡中起到承上啟下的功能，既要與監(jiān)測節(jié)點通信，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，還要跟協(xié)調器通信，將數(shù)據(jù)傳給協(xié)調器，為不能直接通信的各個節(jié)點提供無線中繼轉發(fā)功能，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程穩(wěn)定順暢，使數(shù)據(jù)能夠順暢地傳送到協(xié)調上。（4）Zigbee協(xié)調器為了減輕Zigbee網絡的負擔，每個監(jiān)測網絡只有一個協(xié)調器。協(xié)調器管理整個網絡，也可作為路由器使用，它匯集了整個監(jiān)測網絡中傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過USB將這些數(shù)據(jù)傳到電腦上位機上，它是整個Zigbee無線網絡的網關，協(xié)調器也可以用來協(xié)助建立網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絡的啟動和配臵。（5）電腦上位機電腦通過通過串口轉USB程序將電腦的串口進行設置，然后，協(xié)調器可以通過USB數(shù)據(jù)線與電腦連接將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給電腦上位機程序。電腦上位機程序是由VC++程序編寫的一個數(shù)據(jù)輸出窗口，通過讀取串口緩存區(qū)得到采集的數(shù)據(jù)，最后，將數(shù)據(jù)從窗口中輸出。（6）Android手機端安卓終端是在Android開發(fā)環(huán)境中開發(fā)的一個手機應用程序。手機通過下載應用程序并安裝就可以接入網絡的設備。觀測者可以通過設置虛擬服務器，更改路由設置，然后手機通過WiFi使手機客戶端訪問這個IP地址，最后，與電腦上位機建立一個連接，將數(shù)據(jù)通過網絡傳送給手機客戶端，從而達到手機查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)的軟件設計整個系統(tǒng)的軟件主要分為四個部分：數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲及分析和數(shù)據(jù)顯示。如圖33所示：圖 33 軟件設計圖（1）數(shù)據(jù)采集處理的軟件，主要包括單片機控制傳感器對數(shù)據(jù)的獲取、A/D轉換、數(shù)據(jù)儲存、與Zigbee通信等過程；（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖?，一是實現(xiàn)無線傳感器網絡中各個節(jié)點之間的通信，二是實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器通過GPRS與外部服務器之間的通信等；（3）數(shù)據(jù)存儲及分析軟件，主要是實現(xiàn)將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行管理、分析和存儲、提取等功能；（4）數(shù)據(jù)顯示的軟件主要制作一個上位機交互軟件，觀測者可以通過操作軟件了解空氣污染監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)，及未來的變化趨勢等。 主要元器件的選用 CC2530芯片、Zigbee應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530芯片是與8051內核兼容，它有3種內存器訪問總線。CC2530單片機使用單周期訪問SER、DATA、和主SRAM。當CC2530處于空暇模式時，任何中斷都可以使其恢復到主動模式。CC2530結合了領先的RE收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內可編程閃存。CC2530有32K、64K、128K、256K四種不同的閃存版本。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。除此之外。RF內核控制模擬無線模塊。無線設備還包括一個數(shù)據(jù)包過濾模塊和地址識別模塊[[] 任志健,莫偉健,萬智萍. 基于CC2530的Zigbee2007/PRO協(xié)議的無線溫濕度系統(tǒng)設計[J]. 電子設計工程,2012,10:4043+48.]。CC2530引腳圖如圖34所示。圖 34 CC2530引腳圖? AVDD1到AVDD6：電源（模擬）引腳，2V– 模擬電源連接；? DVDDDVDD2：電源（數(shù)字）引腳，2V– 數(shù)字電源連接；? DCOUPL：電源（數(shù)字）引腳， 數(shù)字電源去耦，不使用外部電路供應；? GND 1，2，3，4：未使用的引腳連接到GND；? RESET_N：數(shù)字輸入復位，活動到低電平；? XOSC_Q1：模擬I/O 32MHz 晶振引腳或外部時鐘輸入；? XOSC_Q2：模擬I/O 32MHz 晶振引腳2；? RF_N：RF I/O RX 期間負RF 輸入信號到LNA；? RF_P：RF I/O RX 期間正RF 輸入信號到LNA；? P0_0P0_P1_0P1_P2_0P2_4：數(shù)字I/O 端口；? P1_0、P1_1： 驅動能力；? P2_P2_4： kHz XOSC。 傳感器 DHT11溫濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器有三部分組成：一個是通過電阻變化的感濕器件，另一個是檢測溫度器件，還有一個8位主控制芯片[[] 李巖舟,周清,班彩霞,陳科余,詹榮,鄒明,韋敏立. 教學型溫室大棚的研制[J]. 裝備制造技術,2012,06:220221+226. ]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有質量好、響應快、抗干擾力強、性價比高等特點。由于體積不大和價格低廉，使其占有很好的市場優(yōu)勢。該產品為4針單排引腳封裝，如圖35所示 。 圖 35 DHT11引腳圖DHT11參數(shù)如下：（1）可以檢測空氣的濕度和溫度；（2）濕度測量范圍：21%到91%RH；（3）溫度測量范圍：0度到50度；（4）工作電壓：；（5）電源指示燈（紅色）。 MQ135半導體空氣質量傳感器MQ135傳感器使用的氣敏材料是二氧化錫。二氧化錫在氣體中電導率很低，它的電導率與污染氣體的含量成正比。因此，可以利用電路檢測電導率的變化，最后將其轉換為該氣體濃度變化。MQ135氣體傳感器價格便宜，可以檢測出氨氣、 硫化物、 苯系蒸汽，對煙霧和其它有害物質的監(jiān)測也很靈敏。如圖 36所示。 圖 36 MQ135氣體傳感器MQ135參數(shù)：（1）檢測氣體：氨氣、硫化物、氫氣、苯系蒸汽等（2）檢測濃度：101000ppm（3）工作電壓：17