王聃 WANG Dan
（哈尔滨石油学院信息工程与计算机技术系，哈尔滨 150027）
（Department of Information Engineering and Computer Technology，Harbin Institute of Petroleum，Harbin 150027，China）
摘要：设计了一种基于ZigBee 无线通信技术的家居空气质量优化系统： 在IAR开发环境下，采用TI公司的Z-STACK协议栈，以CC2530芯片为核心构建了一个无线传感网络，采集室内空气温度、湿度、有害气体浓度以及粉尘浓度；采集的数据传输给控制器，控制器对采集的数据进行分析，一旦超过阈值自动控制相应的家电进行工作，低于阈值则停止工作。测试表明：该系统能够在无人控制的情况下保证室内空气始终处于宜居状态。
Abstract： The paper designed a home air quality optimization system based on ZigBee wireless communication technology. In the IAR development environment， it uses Z-STACK Stack of TI Company， takes CC2530 chip as the core to build a wireless sensor network for collecting indoor air temperature， humidity， harmful gases concentration and dust concentration； it transmits the data to the controller and the controller analyzes the data collected， once exceeding the threshold， it will automatically control the corresponding home appliances to work， and when belowing the threshold， the home appliances will stop working. Testing shows that： the system can ensure that the indoor air is always in a livable state in the absence of control.
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关键词 ：智能家居；空气质量；无线传感网络；ZigBee
Key words： smart home；air quality；wireless sensor networks；ZigBee
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0194-03
作者简介：王聃（1982-），女，吉林梅河口人，讲师，硕士，研究方向为无线传感网络、计算机技术。
0 引言
从很多室内装修发生的污染案例来看，室内空气污染已经成为威胁人们居住安全的重要因素。不少国家在室内空气污染方面，做了大量研究。一些研究发现，室内空气中，如果含有超标的污染气体，则会造成人体眼睛、喉咙、胸部等部位的不舒服，严重的还会引起恶心、呕吐等，并且损害人体的皮肤健康。老人和小孩对于这种污染的空气，抵抗能力更差，在遇到较为严重的污染空气时，会给老人和儿童造成较大的伤害。现代很多室内家具，含有很多有毒的化学物质，这些化学物质，会散发出一定含量的有毒气体，如果不能对其进行及时准确的检测，会给人们造成无形的伤害。因此，在这种情况下，设计一种室内空气质量优化系统，显得非常必要。
1 系统整体架构
在本文的研究中，在分析智能家居系统与ZigBee技术特点的基础上，我们设计了的基于ZigBee技术的智能家居空气质量优化系统，其中主要组成部件包括：传感器节点，路由器节点，控制中心节点。在这些部件中，控制中心节点与传感器节点分别充当ZigBee网络中协调器节点与端节点的角色。此系统的结构图如图1所示，各部分的功能如下：
①管理中心：用户通过管理中心，可以二十四小时的掌握室内相关的情况，并且可以对网络节点和一些家电的开关进行合理控制；
②控制中心节点：组建ZigBee网络，发送与接收网络数据与指令；
③路由器节点：实现数据包的路由与转发，扩大网络覆盖范围；
④传感器节点：采集周围环境的有效信息，通过 ZigBee 网络将环境数据信息传输到控制中心节点[2]。
2 系统硬件设计[3]
控制中心节点在ZigBee网络中充当协调器节点的角色，主要负责ZigBee网络的建立，节点的管理等任务。在本系统中，它还需要对接受的数据进行处理，以及通过RS-232串口与PC机连接通信。其硬件系统结构如图2所示。
系统主要采集家居环境的湿度、温度、有害气体浓度以及粉尘浓度。针对不同的对象，传感器节点采用不同的传感器模块进行采集物理信息。根据传感器的类型，设计相应的应用电路，实现信号的采集。传感器节点如图3所示。
3 系统软件设计[5]
系统软件的设计，是一项非常关键的任务。在本文研究的系统软件中，主要有如下三个方面：ZigBee协议应用程序设计，管理中心处理程序设计，执行设备程序设计。这三个系统软件之间。起着相互支持的作用，缺失其中任何一个，另外两个都不能正常运转。
该系统的控制中心节点，其主要的作用是，建立 ZigBee 网络。同时，与管理中心之间保持良好的通信，准确发送和传输相关数据、指令。为了实现上述功能，对于控制中心节点的软件，在设计过程中，主要需要如下几个模块。
①ZigBee 网络应用数据收发模块；
②串口通信模块；
③界面操作模块；
其流程图如图4所示。
传感器节点负责采集各种信息，并把采集到的数据传给控制中心节点，其程序流程图如图5所示。
4 结果测试及分析
考虑到此系统主要用于居家环境，距离不是很远，我们用于测试的两相邻节点间数据收发距离在100米以内；在经过多次的实验测试后发现，在本文设计的系统中，相邻节点之间的有效距离是70米，其中相关的测试数据结果如表1，在这个距离内，节点的入网及重入网时间分别为 2.5 秒和 0.5 秒，能够基本上满足一般家庭的室内空气质量优化需要。
我们将此系统放置在74m2家居环境中，经过一段时间，室内空气质量完全处于宜居状态，测试结果如表2所示。
5 结束语
本系统基于ZigBee无线通信技术，设计一个智能家居空气质量优化系统，根据室内空气的温湿度、有害气体浓度和粉尘浓度，不在阈值范围内可以自动打开相应的家用电器。测试表明，本系统省时省力，能够在无人控制的情况下完全满足家居空气质量优化的需要，保证室内空气始终处于宜居状态。但是本系统尚未对节点的通信协议作能量节省考虑。为了进一步降低节点的能耗，还需要在通信协议上做大量的设计与分析工作。
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参考文献：
[1]张佑春，张晓娟，朱炼.基于LonWorks与ZigBee技术的智能家居系统构建[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2015（02）.
[2]夏军，唐民钦.基于ZigBee技术的智能窗帘控制器设计[J].广西科学院学报，2014（01）.
[3]武一，包春兰.基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统设计[J].河北工业大学学报，2014（01）.
[4]栾禄祥.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[J].信息与电脑（理论版），2014（09）.
[5]蒋玉娥，刘桂江.一种应用ZigBee技术的智能家居环境监测方案[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2014（04）.
[6]麦明珠，李教文.基于ZigBee技术的智能热水器工作探测仪[J].科技信息，2014（10）.