智能环境净化系统设计分析

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随着环境问题的日益严重雾霾天气不断困扰着人们，如何检测空气质量以及进行室内环境净化成为了迫切需要解决的问题。本文介绍了一种基于ZigBee技术的智能环境净化系统。该系统能够检测室内外的PM2.5浓度，并根据室内外的PM2.5浓度差自动进行通风、关窗、净化空气等操作。该系统可以对室内外多处设点检测，检测效果较好。

改革开放以来，在我国经济飞速发展的同时也带来了一系列的问题，环境污染，大气污染，雾霾天气等等。随着环境问题的日益严重，已经逐渐影响到居民的生活和身体健康。空气中的粉尘颗粒污染物有很多，PM10（ParticulateMatter10）、PM2.5（ParticulateMatter2.5）都对身体构成很大的威胁，特别是PM2.5，它能引起呼吸道的一系列疾病，甚至引发癌症。因此，需要一款能够根据环境情况进行室内环境净化的系统。而无线传感器网络直接感知客观世界，将信息的产生和感知也包括在其中，非常适合环境监测方面的应用。因此本项目基于无线传感网络，对室内外的空气质量进行监测的同时智能进行室内空气调节。

1无线传感网络的基本原理

图1无线传感网络模型可以在需要监测的区域放置一定数量的传感器，传感器节点检测到被测区域的PM2.5浓度后通过无线的方式传输给管理节点也就是用户，用户对数据进行处理显示。无线传感网络模型如图1所示，由传感器节点、互联网、管理节点、用户构成。它由传感器节点采集信息并通过无线网络传输给用户。无线传感网络(WirelessSensorNetworks,WSN)广泛的应用于各种通信技术中，其中ZigBee技术是较常见的一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。它使用IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层根据用户自己的应用需求制定。因此，它的组网形式更加灵活机动。本系统采用全球通用的免费的工业、科学频段2.4GHz。树型拓扑结构、星型拓扑结构和网状拓扑结构是ZigBee技术网络的3种网络拓扑结构。

2PM2.5传感器原理

PM2.5传感器使用SDS011，SDS011是一款常用的PM2.5检测芯片，它使用激光检测PM2.5，能够分辨的最小直径0.3微米的颗粒，检测性能稳定，它使用数字化输出集成度高。因此，可以较为准确的检测出PM2.5和PM10的浓度。SDS011使用96008N1串口通讯协议。波特率为9600，数据10字节为1帧，构成方式如式（1）。报文头+指令号+数据(6字节)+校验和+报文尾（1）

3系统硬件设计

本智能环境净化系统在室内不同的房间和室外多处设立监测点，实时监测空气中PM2.5的含量，通过无线传感网络传递给室内系统主控，通过对室内外的PM2.5的含量的对比，从而确定不同的环境净化方案。本系统配备有空气净化装置以及自动开关窗户，当室外PM2.5含量低于室内PM2.5含量则自动开窗进行通风，当室外PM2.5含量高于室内PM2.5含量则自动关窗避免外界的有害气体进入室内，同时判断室内PM2.5含量的浓度，若室内已达到中度及以上污染程度，则打开空气净化器。空气质量等级划分如表1所示。本系统的硬件框架如图2所示。其中（a）为终端设备硬件框图。终端设备模块包含CC2530模块、PM2.5传感器模块、电源模块、天线模块等。首先通过PM2.5传感器SDS011检测空气中PM2.5的浓度以及PM10浓度，检测数据发送给CC2530，CC2530接收到数据后存储在存储器里并通过天线发送出去。图2中（b）为协调器硬件框图。协调器包括CC2530、LCD、PC、自动窗户、空气净化器、存储器、电源、天线等。协调器通过天线接收到数据后存储在存储器中并显示在LCD上，LCD上可以同时显示多路传感器节点的数据。CC2530对接收到的数据进行判断，从而选择是进行窗户的开关操作，还是进行净化室内空气的操作。同时CC2530还可以通过串口连接到PC机，将检测数据实时显示在PC上。

4程序主要实现结果

该智能环境净化系统主控部分的硬件实物图如图3所示，为协调器的硬件实物图。该系统配备电池，小巧方便可直接使用。系统使用的液晶显示器是12864，终端设备检测的多路数据可实时的显示在液晶屏上。硬件配备有PL2303,实现了全双工异步串口通信装置RS232到USB的接口转换。为了节省空间，使设备更加小巧，系统使用miniusb口，将数据通过usb口传输至PC机，进行数据的后续显示和处理。系统接收端的显示主界面如图4所示。首先连接上接收端主设备，查看端口数据，然后按照接收端设备的数据进行COM口选择，打开串口。当串口成功打开后，各个采集点的PM2.5检测值会显示在界面上。可根据需要添加不同的PM2.5监测点，也可以将一段时间内检测到的监测数据以图形的形式进行输出。

5结论

经过对多路终端的单独调试，以及协调器的调试，本系统能够快速进行多区域的PM2.5检测接收并在LCD上显示，同时还能将数据实时传输至PC机进行后续处理控制。能够根据空气质量等级划分，智能的判断室内外的空气质量优劣，从而进行不同的空气净化工作。经过测试，该程序性能稳定，效果良好，实现了相应功能。

作者:尚丽娜 张翠 单位:浙江大学城市学院