基于ZigBee的雾霾采集系统设计与实现
摘要
雾霾被称为健康的“隐形杀手”，中国工程院院士钟南山告诉记者，以前的大气污染主要是降尘，而现在的灰霾，实际上是一氧化碳、氮氧化物等。假如灰霾中混杂着有害物质，就会对健康产生直接危害，包括对神经系统、心血管系统、呼吸系统、内分泌系统的破坏。本论文研究了如何利用传感器检测雾霾及介绍了传感器在雾霾检测方面的原理应用,分析了当前气体传感器的特点,以及气体传感器的发展趋势和前景本包括系统的软硬、件设计及其具体实现本设计系统采用CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、雾霾传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，通过RS－232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAR Embedded Workbench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。雾霾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 有效的完成对信号的实时采集，存储、信号和实时图形显示等功能；能对数据进行实时的高效保存；对雾霾进行有效监测,系统可以实现在线实时监控，超出安全值，声光报警。
关键字：无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；雾霾检测
ABSTRACT
Haze is known as a healthy "invisible killer". Zhong Nanshan, academician of the Chinese Academy of Engineering, told reporters that the former air pollution was mainly dust, but now the haze is actually carbon monoxide, nitrogen oxides and so on. If haze is mixed with harmful substances, it will cause direct harm to health, including damage to nervous system, cardiovascular system, respiratory system and endocrine system. This paper studies how to use sensors to detect haze and introduces the principle and application of sensors in haze detection, analyses the characteristics of current gas sensors, and the development trend and prospects of gas sensors. This design includes the hardware and software of the system, the design of components and its specific realization. This design system uses CC2430 wireless communication module, temperature and humidity sensor DHT90, haze sensor QS-01, electric. The source module constructs the wireless sensor network, communicates with the monitoring center through RS-232 serial port, develops the ZigBee protocol stack using IAR Embedded Workbench, a software development platform. The wireless network technology based on ZigBee is favored by more and more enterprises and individuals with the characteristics of low power consumption, low cost and low complexity. The haze monitoring system is especially suitable for occasions with low data throughput, low investment in network construction, high requirements for network security, and inconvenience in frequent battery replacement or charging. It is expected that it will be widely used in consumer electronic equipment, home intelligence, industrial control, medical equipment control, agricultural automation and other fields. The application program of sensor node and sink node will be completed by ZigBee technology, and the functions of real-time signal acquisition, storage, signal and real-time graphic display will be effectively completed. The data can be saved efficiently in real-time. Haze can be effectively monitored. The system can realize online real-time monitoring, exceed the safety value, sound and light alarm.
Key words: wireless sensor; cc2430; DTH90; ZigBee technology; haze detection
目录
1 绪论 4
1.1 引言 4
1.2 课题背景和研究意义 4
一、对人体产生的危害 6
二、对交通和生活环境造成的危害 7
1.3 无线传感器网络的研究进展 7
1.4 论文的研究内容与组织结构 9
2 无线传感器网络概述 10
2.1 无线传感器网络简介 10
2.2 无线传感器网络体系结构概述 11
2.3 无线传感器网络特点 11
2.4 无线传感器网络应用 14
2.5 无线传感器网络关键技术 14
2.6 无线传感器网络拓扑结构 16
3.3 传感器节点的硬件设计 17
3.3.1 节点硬件总体结构 18
3.3.2 处理器和无线通信模块HFZ－CC2430EM－22 18
3.3.2 传感器模块 21
3.4 汇聚节点的硬件设计 25
3.4.1 电源模块 25
3.4.2 RS－232串口模块 26
4雾霾监测系统软件设计 26
4.1 ZigBee协议 26
4.2 IAR开发环境介绍 28
4.3 传感器节点应用程序设计 29
1.主程序设计 29
2.初始化程序 29
3.无线数据的收发 30
4.数据采集程序 30
4.4 汇聚节点应用程序设计 31
1.主程序设计 31
2.串口通信及PC显示程序 32
3.液晶显示程序 32
5 系统测试与结果分析 32
参考文献 33
附录C 部分程序 35
1 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。与传统的雾霾监测系统相比，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雾霾,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：雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区别很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。霾就是灰霾（烟霞）。
雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。多出现于秋冬季节（这也是2013年1月份全国大面积雾霾天气的原因之一），是近地面层空气中水汽凝结（或凝华）的产物。雾的存在会降低空气透明度，使能见度恶化，如果目标物的水平能见度降低到1000米以内，就将悬浮在近地面空气中的水汽凝结（或凝华）物的天气现象称为雾（Fog）。
霾（mái），也称灰霾（烟雾） 空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊。将目标物的水平能见度在1000～10000米的这种现象称为轻雾或霭（Mist）。形成雾时大气湿度应该是饱和的(如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到100%就可能出现饱和)。由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大，因而雾看起来呈乳白色或青白色和灰色。
雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。随着雾霾的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。从中国气象局2013年2月新闻发布会上获悉，入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在5天以上。气象专家表示，造成雾霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面：
一是1月影响我国的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大部地区稳定类大气条件出现频率明显偏多，尤其是华北地区高达64.5%，为近10年最高，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；
二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；
三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理和保护力度，特别是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方案，以防范和控制重污染天气的出现。
据悉，入冬以来，河北南部、北京、山西东部、山东、河南、安徽、江苏、上海、浙江、福建、湖北、湖南、江西大部、广东西部、广西东部及四川和云南局部等地有10～20天，其中江苏大部在20天以上。相比于常年同期，河北南部、北京、天津、山东、河南北部、安徽、江苏、上海、浙江、广东、广西东部等地偏多在1天以上，其中北京、天津、安徽大部、上海等地偏多3～8天，山东北部、安徽东北部、江苏大部、浙江北部及广东南部偏多超过8天。华北南部及江苏中部、四川东部、重庆西南部、贵州西部等地有8～15天能见度不足1000米，河北南部、山东西北部、四川东部等地部分地区有5～12天能见度不足500米。
一、对人体产生的危害
1.伤肺。
霾的组成成分非常复杂,包括数百种大气化学颗粒物质。对于支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿和慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系统疾病患者，雾霾天气可使病情急性发作或急性加重。如果长期处于这种环境还会诱发肺癌。
2.伤心脏及血管。
雾霾天对人体心脑血管疾病的影响也很严重，会阻碍正常的血液循环，导致心血管病、高血压、冠心病、脑溢血，可能诱发心绞痛、心肌梗塞、心力衰竭等，使慢性支气管炎出现肺源性心脏病等。
浓雾天气压（气温）比较低，人会产生一种烦躁的感觉，血压自然会有所增高。一些高血压、冠心病患者从温暖的室内突然走到寒冷的室外，血管热胀冷缩，也可使血压升高，导致中风、心肌梗死的发生。
3.雾霾天气还可导致近地层紫外线的减弱，使空气中的传染性病菌的活性增强，传染病增多。
4.不利于儿童成长。由于雾天日照减少，儿童紫外线照射不足，体内维生素D生成不足，对钙的吸收大大减少，严重的会引起婴儿佝偻病、儿童生长减慢。
5.影响心理健康。
专家指出，持续大雾天对人的心理和身体都有影响，从心理上说，大雾天会给人造成沉闷、压抑的感受，会刺激或者加剧心理抑郁的状态。此外，由于雾天光线较弱及导致的低气压，有些人在雾天会产生精神懒散、情绪低落的现象。
6.影响生殖能力。
有研究表明，长期暴露于高浓度污染的空气中的人群，其精子在体外受精时的成功率可能会降低。研究人员还发现了有毒空气和男性生育能力下降之间的关联 。雾霾天气现象会给气候、环境、健康、经济等方面造成显著的负面影响。
7.易引发老年痴呆症。
2017年2月6日报道，根据一项英国兰卡斯特大学的Maher及其团队发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究发现：“雾霾等空气污染，损伤的不仅是我们的肺，还有我们的大脑。”
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[4] 参见《民用建筑工程室内环境污染控制规范》1.0.3节，中华人民共和国国家标准GB50325—2001.
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