1、基于ZigBee的空气质量检测仪设计毕业设计论文毕业设计（论文）题 目 基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计
2、（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学
3、位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）
4、参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清
5、单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要随着科技发展，空气污染严重影响了人们的健康。因此，为家人和朋友创建一个空气新鲜、健康舒适的生活环境是非常必要的。室内空气质量检测是刚兴起的一个行业。该行业是通过对室内的装修、家具污染引起的环境污染物超标所进行检测和分析过程，并且出具国家权威的、法律效力的检测报告。通过检测报告我们可以判定室内各种污染物质的浓度，然后进行针对性的防控。本设计是由传感器、Zigbee模块和上位机搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。第一步，通过各种传感器对室内甲醛、苯、
6、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测和数据处理；第二步，将检测参数传送给Zigbee终端节点；第三步，通过Zigbee无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。室内空气质量检测仪采用Zigbee的无线传感技术，可以进行多点检测，还可以方便的添加和移除Zigbee节点，具有成本低、组网灵活、简单易用等优点。不仅适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，具有很高的实际应用价值。关键词：空气质量检测；无线传感网络；Zigbee模块；多点检测Abstract
7、With the development of science and technology, air pollution has seriously affected peoples health. Therefore, it is necessary to create a fresh air, healthy and comfortable living environment for our family and friends. Indoor air quality detection is a newly rising industry. The industry will giv
8、e a air pollution detection, which through detecting pollution caused by the indoor decoration, furniture and so on. It issued a national authority and legal detection report. Through the detection report, we can see the concentration of indoor pollution substances, and then take some measures to pr
9、event the pollution.The air quality detector is consist of a sensor, Zigbee module and PC, which is based on a wireless sensor network of Zigbee to detect indoor air quality. The first step is collect data, which though a variety of sensors of indoor formaldehyde, such as benzene, ammonia, total vol
10、atile organic compound TVOC and other air pollutants sensors. The second step is data transmission, which transport the test parameters to the Zigbee terminal node. The third step, the main control end display and monitor the air quality index, which will receive the number through the Zigbee wirele
11、ss sensor network. If the detection of certain air pollutants exceed the standard, It will alarm to remind the user to take the appropriate measures. Because of the indoor air quality detector using Zigbee wireless sensor technology, it become more convenient and fast to take a multi-point detection
12、 and add and remove Zigbee nodes. Besides, it has many advantages, such as low cost, flexible networking, easy to use and so on. It not only can be used to test the air quality of the new house and newly decorating house, but also it can be used for the long-time detection of indoor air quality, so
13、it has a high value of practical application.Keywords：Air quality testing; Wireless sensor networks; Zigbee module; Multi-point detection第1章 绪 论1.1 课题研究背景根据室内空气质量检测标准，调查监测了新建及新装修的教室、办公楼、家庭卧室等230多户大约4万平方米的建筑。检测结果表明：室内空气质量合格率仅为34.7%。报告显示，在众多的室内空气污染物中，氨气和苯的化合物气体是主要污染物，超标率高达61.2%，测得的最高值竟然超过国家标准63.5倍。除此之
14、外，甲醛的超标率为27.8%，苯系物(甲苯、二甲苯等)超标率为14.6%。国外通过大量实验得出一个结论，室内空气质量与人类的健康息息相关。空气污染会引起很多疾病，比如：“致病建筑综合症”和“建筑关联病”等疾病，这些疾病会导致人的眼部、鼻子、脑部等不良反应，轻者眼花、恶心呕吐，重者麻痹、休克等。空气污染严重影响了人们健康的生活质量。所以，所有的室内环境都必须进行必要的空气质量检测，尤其是公共场合。通过检测和改善室内空气质量，给大家创造一个健康、舒适的起居环境。本课题为基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计。首先，通过传感器检测空气质量的指标；然后，通过Zigbee无线网络传送给主机进行指标的显
15、示，如果污染气体超标就会发出警报。空气质量检测仪基于Zigbee的无线传感网络，更加方便、快捷，适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，尤其老人、孕妇、儿童等抵抗力弱的人群更加需要，为您和您的家人的健康保驾护航，具有很高的实际应用价值。1.2 空气质量检测的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状现代空气污染问题的研究源于伦敦烟雾事件。20世纪60年代提出了室内空气质量(IAQ)的概念。1999年底，法国政府成立了国家室内空气监测站。自2001年起,该检测站年年都在全国范围内选择上千个个监测点,对室内空气中的粉尘、氨气、过敏源、苯化合物、人造纤维、烟草烟雾
16、等10多种空气污染物进行检测并公布检测结果。从2005年至2012年,美国的温室气体排放量下降了近10%。对于美国在联合国气候谈判中承诺的2020年减排目标而言,已实现过半。2008年起，美国驻华使领馆开始监测所在城市的PM2.5数据，并向公众公布。“2014年3月25日，世界卫生组织发布的最新数据显示，2012年全球因空气污染导致的各类疾病死亡人数约为700万。”根据世界卫生组织（WHO）2014年发布的一份报告，印度首都新德里是全球空气污染最严重的城市。为了保护美国驻印度大使馆工作人员，美国为他们购买了1800台室内空气净化器。最近，欧盟第七研发框架计划(FP7)组织下的欧洲IAQSENS
17、E研发团队，成功研制的室内空气质量实时检测装置，具有智能型、高灵敏、可随时随地检测空气质量等特点。1.2.2 国内研究现状跟国外相比,我国近几年才开始对室内空气质量进行研究,我国从事住宅室内空气污染的研究始于70年代。目前，空气净化涂料对污染物的净化功能的评价大多依据JC/T10742008室内空气净化功能涂覆材料净化性能标准进行，该标准中涉及甲醛和甲苯两个净化指标。国家“十二五”计划也将“室内空气净化”列为扶持行业。，2011年，“中华人民共和国卫生部80号令”规定了室内空气净化的各项条款，为这一行业正规化发展奠定了坚实基础。为了规范市场，国家环保产品质量监督检验中心、福州大学光催化研究所和
18、中国标准化研究院等单位起草了净化空气用光催化剂GB/T27870-2011国家质量标准，该标准并于2012年开始实施。20132014年，中国建筑装饰协会公布了一个的抽样检测数据报告。该报告是关于家居环境和室内装饰材料的，报告公示了几项空气主要污染物包括甲醛、苯化合物等致癌物质多达23种，他们超标率分别高达82%，和77%，并表示疾病与室内空气污染相关。目前，国家出台的室内空气检测标准有室内空气质量标准GB/T18883-2002和民用建筑工程室内环境污染控制规范GB50325-2013。据了解，空气净化器新国标的“征求意见稿”已经审批通过，有望在2015年上半年正式出台。在新国标中，强化了一
19、个核心指标即CADR值。CADR值指的是洁净空气量，是空气净化器每小时能够输出的洁净空气体积，这一数值越大，表示产品的净化速度越快。1.3 本文研究内容本设计主要是通过传感器和Zigbee模块搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。首先，是通过各种传感器对室内甲醛、苯、甲苯、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测，然后将检测到的指标参数传送给Zigbee模块。最后，Zigbee通过无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。室内空气质量检测仪要达到的技术指标如下：（1）网络
20、容量：一个Zigbee的网络可以容纳多达255个网络节点；（2）工作时间：工作时间比较短、收发信息功耗低，连续工作长达2年；（3）MQ-135气体传感器：可以侦测有害气体的体积浓度为：10 - 1000ppm，适用于氨气、硫化物、苯系蒸汽、烟雾和其它有害气体的检测；（4）DHT11数字温湿度传感器：测量空气湿度范围：从20RH到90RH，测量空气温度范围：从0到50。当前，室内空气检测的主要依据是室内空气质量标准和 GB/T18883-2002和民用建筑工程室内环境污染控制规范GB50325-2013。室内空气检测项目见表1-1。表1-1室内空气检测国家标准项目序号项目类别项目名称标准限制备注
21、1物理性温度22 -28 16 -24 夏季空调冬季采暖2相对湿度40-80 %30-60 %夏季空调冬季采暖3空气流度 0.3m /s 0.2m /s夏季空调冬季采暖4新风量 30m3 /(h 人 )5化学性甲醛 HCHO0.10mg/m38h 均值6氨 NH30.20mg/m38h 均值7苯 C6H60.11mg/m38h 均值8甲苯 C7H80.20mg/m38h 均值9二甲苯 C8H100.20mg/m38h 均值10总挥发性有机物TVOC0.60mg/m38h 均值11臭氧 O30.16mg/m31h 均值12二氧化硫 SO20.50mg/m31h 均值13二氧化氮 NO20.24m
22、g/m31h 均值14一氧化碳 CO10mg/m31h 均值15二氧化碳 CO20.10 %日平均值16苯并 a 芘 B(a)P1.0ng/m3日平均值17可吸入颗粒PM100.15mg/m3日平均值18生物性菌落总数2500cfu/m3依据仪器定19氡222Rn400Bq/m3年平均值空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数。参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。空气质量指数级别见表1-2。表1-2 空气质量指数级别空气质量指数AQI空气质量指数级别空气质量指数及表示颜色对健康的
23、影响建议采取的措施0-50优绿色空气质量令人满意，基本无空气污染。各类人群可正常活动51-100良黄色空气质量可接受，某些污染物对极少数敏感人群健康有较弱影响。极少数敏感人群应减少户外活动101-150轻度污染橙色易感人群有症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状。老人、儿童、呼吸系统等疾病患者减少长时间、高强度的户外活动151-200中度污染红色进一步加剧易感人群症状，会对健康人群的呼吸系统有影响。儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群减少户外活动201-300重度污染紫红色心脏病和肺病患者症状加剧运动耐受力降低，健康人群出现症状儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止减少户外运动300严
24、重污染褐红色健康人群运动耐受力降低，有明显强烈症状，可能导致疾病儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止户外活动本课题用到很多技术，所以要对主要芯片和所用语言进行学习和总结，除此之外，还要对无线传感网络核心部分Zigbee和传感器进行研究。首先，我对无线传感器网络的总体结构进行总结分析，尤其对传感器网络的关键技术进行详细的介绍。其次，在硬件方面，对基于Zigbee的室内空气质量检测仪进行硬件电路设计，包括CC2530最小系统电路、天线电路、传感器电路等单元电路设计。再次，在软件方面，对设计的各种程序进行设计。包括传感器的采集和处理数据的程序、Zigbee终端节点和协调器的收发信号的网络协议
25、程序设计、上位机软件读取串口和显示数据程序和安卓手机客户端的应用程序等等。最后，通过搭建一个由主控Zigbee芯片、传感器、显示部分和控制部分组成的室内空气质量检测仪。经过写入程序、调试，最后实现空气质量的基本指标的显示和污染物的检测，污染物超标则进行报警。1.4 文本结构本设计是通过传感器和Zigbee模块搭建完成一个利用Zigbee无线传感技术的室内空气质量检测仪。全文共分为6个章节：第1章 绪论，讲解了室内空气质量检测仪的研究背景，同时还讲解了国内和国外在空气质量检测的领域现在的研究成果。第2章 Zigbee技术简介，主要对Zigbee的基本概念解释，包括设备类型、拓扑结构、Zigbee
26、技术的特点。除此之外，还对IEEE802.15.4标准进行说明，重点Zigbee协议体系结构讲解。第3章 系统总体设计方案规划，总体对室内空气质量检测仪设计进行介绍，包括系统功能实现的介绍，硬件规划、软件规划等。第4章 系统硬件设计，包括所选用的主控芯片，传感器使用和功能介绍。主要是最小系统设计和各个模块电路规划等，还有就是系统的硬件设计原理图。第5章 系统软件设计，简单介绍设计所需要的软件使用方法等。然后，对设计所需要的重要程序讲解，包括初始化程序、系统主控程序、子程序等。还有就是对设计所用到的上位机程序和安卓应用程序进行了功能介绍。第6章 系统的仿真、制作与测试，本章对系统的软件和硬件进行
27、仿真、制作、调试和测试。最后，进行实物制作，完成设计。第2章 Zigbee技术简介Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术。2.1 Zigbee基本概念Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术。其特点是传输距离近、复杂度低、具有自组织性、功耗低、传输速
28、率低、廉价等。应用范围广泛，可以与其他设备组合在无线控制和监测控制等方面使用。总之，Zigbee技术是一种廉价的，节省能源的，短路程的无线通讯网络技术。2.1.1 设备类型在Zigbee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。Zigbee网络有且只有一个Coordinator，除此之外，还有许多Router和一些End_Device共同组成。2.1.1.1 Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID，即PersonalArea
29、NetworkID)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失goaway)。因为Zigbee无线网络自身的特点，所以接下来整个网络的操作就不再依赖协调器存在而存在。总体来说Coordinator的主要任务有以下四个：（1）在2400MHz到2483.5MHz的频段中选择网络所使用的频率通道。（2）开始组建一个无线网络。（3）接收其他节点的请求信息，然后，选择性的允许其他节点加入到刚组建中网络中来。（4）它通常还会提供信息路由，安全管理和其他的服务。2.
30、1.1.2 Router(路由器)路由器主要作用有:一是允许其他的设备加入本网络，二是多跳路由可以协助它自己和终端设备的正常通讯。通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。不过，当处于树状网络拓扑结构，允许路由会周期性的间隔操作，这样会大大的减少功耗，因此，可以使用电池供电。Router(路由器)主要有以下两个任务：(1)在网络中，路由器为节点转发信息从而完成整个网络通信。(2)允许在他附近的子节点通过发送请求由自己加入整个网络中。2.1.1.3 End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常
31、，终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。EndDevice一般处于网络的边缘，主要任务就是发送和接收信息，但它不能够转发信息，也不能让其他节点加入到网络中来。一般EndDevice节点是由电池来供电的，但是为了减少电能的损耗，当它不工作的时候可以通过进入休眠状态来达到省电目的。2.1.2 拓扑结构与一般网络的拓扑结构类似，Zigbee网络的拓扑结构一般有三种形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑：2.1.2.1 星形拓扑星形拓扑形式相对来说是比较简单的，这种拓扑结构有两部分组成，一个是Coordinator节点，另一个是许多EndDevice节点，如图2-1所示。Coordinator是任意两个EndDevice通信的中转站，也就是说EndDevice可以自如的与Coordinator进行通信，如果想与其他的EndDevi
