0 引言

　　甲醛是一種致癌、致畸物質，但其作為重要的有機原料以其低廉的價格在家裝建材中的應用卻無處不在，而且室內裝修材料中的甲醛釋放期通常在3～15年左右[1]。天然氣、液化氣作為燃氣以其經濟實用、即開即用、省時方便等優點，近年來在人們的生產和生活中也得到了廣泛的應用[2]。然而，人們在享受科技帶來便利的同時，也承擔著潛在的難以估量的風險。

　　近年來由室內甲醛含量超標和天然氣、液化氣泄露爆炸引起的人身傷害案例枚不勝舉，甲醛超標和燃氣泄露儼然成為危害人們生命財產安全的隱形殺手。因此，針對室內空氣環境安全的監控變得愈發重要，相應研究也在各研究機構逐漸展開[3-5]。ZigBee技術作為短距離無線通信技術[6-7]，以其低成本、低功耗、自組網等優點在工業監控領域的應用越來越廣，尤其伴隨著ZigBee 2007協議的逐漸成熟，其在智能家居和商業樓宇自動化方面的應用前景越來越大[8-10]。本文基于此提出并設計了一套室內空氣環境監測控制系統，用以檢測燃氣泄露和甲醛濃度超標等安全隱患，旨在保障人民人身及財產安全。

1 系統概述

　　系統設計主要由中控中心、終端傳感器節點及控制部分、顯示輸出及聲光報警部分組成。系統整體構架如圖1所示。

　　附載有燃氣傳感器和甲醛傳感器的端節點在采集到有燃氣泄露或甲醛超標的情況下，通過本節點的CC2530控制器控制燃氣閥門的關閉、排風扇的開啟，同時將燃氣泄露或甲醛超標這一事件以自定義的幀格式通過Z-Stack協議棧無線發送給協調器端的CC2530；然后其通過串口發送給STM32，STM32經過分析幀格式做出相應處理，通過LCD液晶顯示燃氣泄露、甲醛超標等信息并產生聲光報警。另外，協調器端可以通過按鍵向端節點廣播發送數據或控制信息，像遙控器一樣控制天然氣閥門及排風扇的開啟和關閉。

2 硬件設計

　　2.1 控制系統模塊硬件設計

　　系統中控中心采用STM32F103C8T6為主控制器，STM32F103增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，具有豐富的片上資源和多種標準通信I/O接口。

　　作為協調器端的主控制器，STM32F103C8T6主要擔負著協調控制整個系統的職責，同時驅動蜂鳴器和液晶顯示。STM32F103C8T6 與ZigBee無線傳感網絡通過PA9與PA10引腳與作為協調器的CC2530芯片的P0_1和P0_2端口相連，在實際編程操作時，需通過配置相應函數及寄存器設置PA9與PA10為串口模式。LCD液晶顯示端口采用STM32的PB組IO驅動。

　　2.2 端節點模塊硬件設計

　　系統端節點和協調器端都采用CC2530F256芯片作為控制器，其是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee的一個真正的片上系統（SoC）解決方案[11]。整合了全集成的高效射頻收發機及業界標準的增強型8051微控制器、8 KB的RAM和其他強大的支持功能和外設，具有18個中斷源、兩個Uart串口收發器，內置ADC并支持7到12位的分辨率，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530的最小系統如圖2所示。

　　2.3 傳感器模塊設計

　　端節點模塊的設計采用MQ-2氣敏傳感器、MQ-138甲醛傳感器采集數據，MQ系列傳感器以其高靈敏度特性、價格低廉及驅動電路簡單等特點廣泛適用于家庭和工廠的氣體監測。其驅動電路如圖3所示。

　　如圖所示，MQ-X傳感器可以直接輸出模擬信號，經過LM393雙電壓比較器之后輸出數字信號，可以直接與CC2530芯片I/O引腳相連，通過調節電位器R調節傳感器靈敏度，通過檢測端口電平實現氣體預警檢測。如需檢測較高精度的濃度信息，可以使用模擬輸出，通過配置CC2530的APCCFG寄存器配置P0口為模擬輸入口，同時配置ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3相應寄存器，便可以實現高達12位分辨率的高精度A/D轉換。本設計中，端節點的傳感器檢測信號采用DOUT與CC2530的P2_0端口相連。

3 系統軟件設計

　　ZigBee芯片CC2530的開發采用軟件IAR Embedded Workbench IDE，系統設計基于TI ZStack-CC2530-2.5.1a版本協議棧，綜合考量室內環境的空間布局，系統采用星型網絡拓撲結構來構建WSN(Wireless Sensor Networks)網絡[12]。

　　3.1 Z-Stack協議棧開發概述

　　Z-Stack協議棧利用操作系統的思想來構建，采用事件輪詢機制，當各層初始化之后，系統進入低功耗模式。當事件發生時喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件。協議棧程序流程圖如圖4所示。

　　Z-Stack協議棧中有3個變量至關重要：（1）taskCnt變量，保存了任務的總個數；（2）taskEvent指針變量，指向事件表的首地址；（3）taskArr數組變量，該數組的每一項都是一個函數指針，指向事件處理函數。在針對Z-stack協議棧進行開發時，要理解協議棧中每個文件夾的功能，同時需要對3個變量的意義有清楚的認知，學會調用協議棧提供的一些函數接口，能夠在協議棧相應文件中的合適位置添加或改動程序。

　　針對Z-Stack協議棧的開發步驟是：(1)在osalInitTasks()函數中添加任務號；(2)將事件處理函數指針添加到pTaskEventHandlerFn tasksArr[]的最后，因為tasksEvents和tasksArr[]里的順序是一一對應的，tasksArr[]中的第i個事件處理函數對應于tasksEvents中的第i個任務的事件；(3)根據系統設計需要編寫事件處理函數，處理硬件設置與事件邏輯。

　　節點上電以后，協議棧通過HalDriverInit()和osal_init_system()等函數對軟硬件初始化，然后進入函數osal_start_system()中，程序不會再返回。在此函數中檢測是否有事件發生，并在SampleApp_ProcessEvent(uint8 task_id, uint16 events)函數中處理事件。

　　本設計按實際需要在協議棧中修改的函數主要有：(1)MT層串口初始化函數MT_UartInit ()，在該函數中自定義了串口接受數據協議、串口數據控制方式和波特率，通過函數 osal_set_event(SampleApp_TaskID, UART_RX_CB_EVT)設置了觸發事件，并把串口回調函數指針傳遞給uartConfig.callBackFunc調用；(2)任務處理函數SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events)，通過不同事件的標志，做出相應的邏輯處理。(3)自定義函數Sample-

　　App_SPI_SendData(uint8 *buf, uint8 len)，處理來自STM32的串口信息，廣播發送信息至終端，使終端做出相應控制。

　　3.2 終端節點軟件設計

　　終端節點的主要功能有：(1)加入監控網絡；(2)采集傳感器數據將數據傳送至協調器；(3)接收來自協調器的控制指令，完成相應任務。本設計中終端節點全部設置為路由，當路由不再轉發信息時將自動退化為終端節點。終端節點的軟件設計流程如圖5所示。

　　端節點作為一個獨立的系統，通過CC2530可以實現相應控制，包括通過控制機械手臂關閉燃氣閥門和排風扇的開關等，無需協調器的干預。

　　3.3 協調器端軟件設計

　　協調器的主要功能是：(1)組建網絡；(2)向串口發送或從串口接收數據。(3)廣播消息。協調器端軟件設計流程如圖6所示。

　　3.4 程序下載配置與驗證

　　打開IAR Embedded Work-bench IDE可以發現，在work-space功能框上有一個下拉三角按鈕，點開可以看到有DemoEB、Coordinator、RouterEB和EndDeviceEB等選項，每一項對應一種設備類型屬性，通過選擇不同的設備類型選項來編譯下載程序到CC2530芯片中，這樣就鎖定了該片芯片的設備類型。

　　在相應的設備類型下通過option選項里設置COORDINATOR=0或者1，然后在程序內部通過在相應程序段或數據前使用#ifdef  ZDO_COORDINATOR或者#ifndef ZDO_COORDINATOR 宏定義來使能不同設備類型的處理函數。

　　配置好option對話框中C/C++ compiler菜單中的preprocessor中的Defined sysmbol后， 點擊菜單欄中的make圖標    ，進行編譯，之后使用SmartRF04EB下載器連接CC2530，點擊快捷圖標Download and Debug     進行下載。之后把終端節點的裝置連接好，并在廚房內進行了燃氣傳感器的模擬測試，用刨花板、膠合板制作了簡易盒子對甲醛傳感器進行驗證測試。

4 結束語

　　本文研究的是室內空氣環境的安全監測系統設計，可以有效預防燃氣泄露和甲醛超標造成的人身財產損害，具有一定的推廣價值，經濟潛力巨大。目前系統通過若干結點實現了對室內空氣中可能出現的主要危害進行了監測，并沒有充分發揮ZigBee技術的強大功能，還有更多值得被監測的信息需要被監測，需要更多的傳感器結點加入進來。下一步將對傳感器結點的數量和協調器的處理算法進行擴展和優化，實現低功耗、全方位、安全高效的目標。

　　參考文獻

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