品质管理品质知识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RS232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ABSTRACTAirqualityimpactonpeopleisveryimportant,usingsensorstodetectairqualityisnowapopularmethod,thispaperintroducesthesensorinairqualitytestingprinciple,analyzestheadvantagesanddisadvantagesofgassensor,andgassensordevelopmenttrendandprospects.Thesystemuseswirelesssensornetworkstoachievedatascollectionandtransmission.Wirelesssensornetworksareposedofalargenumberoflow-costmicro-sensornodeswhicharedeployedinthemonitoringregion,useswirelessmunicationmeanstoformamulti-hopsself-organizingnetwork,withtheaimofperception,collectionandprocessingofperceivedtargetinformationinthenetworkcoverageregion,andsendthemtoobservers.ThissystemusesCC2430wirelessmunicationmodule,temperatureandhumiditysensorDHT90,airqualitysensorQS-01,powermoduletobuildwirelesssensornetworks,andusesRS232serialporttomunicatewithmonitoringcenter.UsethesoftwaredevelopmentplatformIAREmbeddedWorkbenchtodevelopZigBeeprotocolstack.BasedontheZigBeewirelessnetworkingbylowcharacteristicsandsoonpowerloss,lowcost,lowplexityreceivesmoreandmoremanyenterprisesandindividualZigBeetechnologysuitsspeciallyinthedatavolumeofgoodshandledsmall,thenetworkconstructioninvestsfew,thenetworksecurityrequestishigh,inconvenientreplacesthebatteryorthechargesituationestimateintheexpenseclasselectronicinstallation,thefamilyintellectualization,thelaborwillcontrol,medicaldomainsandsoondevicecontrol,agriculturalautomationobtainsthewidespreadapplicationThesecandefinitivelyachievethepurposeofairqualitymonitoring.Keywords:wirelesssensor;CC2430;DTH90;ZigBeetechnology;airqualitytesting目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 课题背景和研究意义11.3 无线传感器网络的研究进展21.4 论文的研究内容与组织结构42 无线传感器网络概述62.1 无线传感器网络简介62.2 无线传感器网络体系结构概述62.3 无线传感器网络特点72.4 无线传感器网络应用102.5无线传感器网络关键技术102.6 无线传感器网络拓扑结构123 空气质量监测系统硬件设计163.1 ZigBee技术163.2 系统总体结构设计173.3 传感器节点的硬件设计193.3.1 节点硬件总体结构193.3.2 处理器和无线通信模块HFZCC2430EM22203.3.2 传感器模块223.4 汇聚节点的硬件设计273.4.1 电源模块273.4.2 RS232串口模块284空气质量监测系统软件设计294.1 ZigBee协议294.2 IAR开发环境介绍304.3 传感器节点应用程序设计314.4 汇聚节点应用程序设计335 系统测试与结果分析355.1 测试方案355.1.1 硬件测试355.1.2 温度采集及串口显示测试355.1.3 数据通信测试35参考文献36附录C 部分程序384.2.1原语概念444.2.2建立新网络444.2.3ZigBee设备加入网络过程451绪论1.1引言由于环境问题的严重性使得全社会环保意识的提高,对于环境信息的需求也越来越大。与传统的空气质量监测系统相比，使用传感器网络进行环境监测具有如下优点：传感器网络对被监测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高；传感器节点还具有无线通信能力，可以使得节点协同监控。无线传感器网络常适用于无人监守的远程监测，该文采用无线传感器网络来监测空气质量,在城市内选择一些监测点,放置传感器节点，并通过ZigBee无线技术传输数据,终端工作人员可以通过监控中心对监测系统进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。1.2课题背景和研究意义课题背景：当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后,又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染1。大量触目惊心的事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中,室内环境问题对我们来讲，就显得尤为重要。然而对于室内环境问题，我们又往往忽视其重要性。但如今，各种疾病给我们敲响了警钟，再一次提醒我们，改善室内环境，杜绝和防止室内污染，不仅是为了提高我们的生活质量，而且，它也关系到身体健康和生命安全。自然环境有包括空气环境、声音环境、温湿环境和光环境2。人工环境又分为绿化环境、装饰环境、改造后的自然环境等。我们通常所提到的环境污染只是提到空气环境污染，因为它对人的危害最大、最直接，从而忽视了其他环境的利用和改造。其实，其他的室内环境污染一样对我们的生活、学习、工作、娱乐等等方面产生了各种危害和影响。美国专家研究表明，室内空气的污染程度要比室外空气严重二至五倍，在特殊情况下可达100倍。室内空气中可检测出500多种挥发性有机物，某些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍，其中20多种是致癌物。所以美国已将室内空气污染归为危害公共健康的5大环境因素之一。加拿大的一个卫生组织的调查也显示，当前人们68的疾病都与室内空气污染有关室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌，所以检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段3。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具，并且在空气质量检测方面发挥重要作用。研究意义：人类生存离不开空气，而人的一生约80%的时间是在室内度过的，特别是老、弱、病、残、幼、孕等体弱者在室内活动时间更长，室内环境质量的好坏对他们的身心健康更加重要。因此加强室内环境的监测与治理，对保证人民的健康，提高国民的整体素质十分重要。尤其像我国这样人口众多，而医疗保健水平又跟不上的国家，加强室内环境监测，维持一个绿色的居住、办公场所，让广大人民都拥有一个健康的体魄，显得尤为重要。国外大量研究结果也表明，室内空气污染会引起“致病建筑综合症”（BBS），症状包括头痛、眼、鼻和喉部不适，干咳，皮肤干燥发痒，头晕恶心注意力难于集中和对气味敏感等4。建筑关联病（BRI），症状有咳嗽，胸部发紧，发烧寒颤和肌肉疼痛等，所以任何一个场所包括室内、室外都有必要进行空气检测，给家人朋友一个舒适健康的生活环境。环境保护，监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障，多年来在地方经济迅速发展的同时，各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展5。随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了空气质量监测站。1.3无线传感器网络的研究进展在西方和一些发达国家如加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。欧盟的Philips、FranceTele、Siemens、Ericsson等公司，日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等开展了无线传感器网络的研究美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题6。美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。在我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中。国内的一些科研单位和著名大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了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