基于ZigBee的智能环境清洁监控系统
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摘 要：针对室内地面环境的智能清洁监控，研究设计一种基于ZigBee技术的室内移动清洁监控系统。设计主要分为ZigBee网络、扫地机器人和手机APP三部分，终端节点的各类传感器收集室内地面的环境信息，将收集的信息参数发送到协调器节点，经数据处理后通过无线网络发送至手机客户端，以及时反映家庭地面的实际情况，从而通知用户根据需要及时采取清洁措施。
关键词：ZigBee;智能清洁;扫地机器人;手机APP;传感器;网关
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）03-00-02
0 引 言
随着当前信息化进程的不断发展，智能化产品已被广泛应用于居家生活中。如今，无线网络和智能家电取得了飞速发展，物联网技术能够被有效运用到智能家居领域。智能家居产品将计算机网络、自动化系统和通信技术合为一体，将家庭装置通过智慧家居系统联网实现自动化管理。人们通过宽带和无线网络实现对家庭设备的远程控制。考虑到现代社会人们工作繁忙，本文提出了解放人力的室内移动清洁监控系统，针对各类传感器收集的环境信息来监控清洁过程中的实时情况并反馈给ZigBee处理器，通过ZigBee网络将分别检测不同内容的传感器联结在一起用以感知当前的位置和任务状态，通过手机APP进行信息的查询、接收和控制，智能解决生活问题[1]。
1 系统总体设计
本系统选择簇-树型网络拓扑结构，主要包括终端节点（各种类型的传感器）、智能设备、协调器节点、网关、无线网络和用户终端。系统结构如图1所示。
1.1 信息采集系统
信息采集系统总体流程由信息采集、信息整合、任务执行三部分组成。其中，信息采集模块包括红外循迹模块、超声波传感模块、MPU-6050模块、DHT11温湿度传感器模块等。传感器主要负责数据采集，通过协调器处理后反馈到数据管理系统。
1.2 执行控制系统
执行控制系统由步进电机、L298N电机驱动、微处理器和车轮等控制设备组成。通过数据管理系统做出系统分析后将判断结果发送到手机客户端，进行相应模块的控制操作。L298N电机用于驱动步进电机，以控制车轮行走。微处理器采用PWM控制方式。各项模块搭载在ZigBee网络上，可以将控制指令及时、准确地传送到具体器件上，实现室内地面的实时监控。
2 系统硬件设计
由于系统以ZigBee网络为基础，根据ZigBee网络特点，系统硬件设计主要内容包括协调器节点的设计以及终端节点的设计。协调器节点在设计时要考虑终端节点如何利用通信技术给管理平台传送信息;终端节点设计时需要考虑传感器对数据的采集和发送。
2.1 协调器节点设计
本设计的核心处理器采用CC2530芯片。CC2530 结合了技术领先的RF收发器的优良性能，为业界标准的增强型8051 CPU，系统内拥有可编程闪存与8 KB RAM，以及其他强大功能。CC2530 有四种不同的闪存版本，即CC2530F32/64/128/256，分别具有32 KB/64 KB/128 KB/
256 KB闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间较短，进一步确保系统可满足低能源消耗要求，故选取该芯片作为ZigBee系统的微处理器模块较为稳定可靠。
2.2 终端节点设计
终端节点的整体结构设计应满足对各模块进行管理的要求，對采集的数据进行分析、传输与处理，运用射频天线进行指令的发送、接收等。终端节点整体结构主要包括CC2530模块、传感器、电源等。
2.3 传感器选择
传感器包括MPU-6050传感器、温湿度传感器、红外线传感器等。
MPU-6050为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。通过集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、数字运动处理器等精密仪器实现对物体的精密跟踪和速度控制，还可以根据客户的不同需求来实现大小调节，方便易操作。
温湿度传感器是把空气中的温湿度通过一定的检测装置测量后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足用户需求。在本设计中，利用温湿度传感器采集外界环境信息，使用蜂鸣器实现预告与报警。在该系统上装设有温湿度传感器，可检测环境中的温度与湿度，当采集到的温湿度数据超过原先设定的初始值时，蜂鸣器发出警报。本设计选用 DHT11作为终端传感器节点，该传感器具有精度高、体积小、成本低、稳定性好、安全可靠等优点，同时外围电路简单，适合本设计电路。
在本设计中，由于轨迹弯曲角度不同，为了使小车能够更加精确高效地随黑线转弯，在小车前部左右各装有红外循迹模块，不同的物理表面颜色下红外线反射的差异特性是实现红外线探测的关键。在小车行驶过程中不断向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到信号。小车将根据接收到的信号产生的逻辑值自动做出相应动作，从而实现循迹功能。
3 系统软件设计
3.1 终端节点软件设计
接通电源，终端节点初始化，搜寻节点所在位置是否有网络覆盖，如果没有就需要进行网络搜索。在终端进行搜索时协调器也会检测其覆盖范围，两者只要有一种成功就可以发送请求。找到ZigBee网络后，终端节点向网络协调器节点发送请求，如果协调器节点通过终端的入网请求，则入网操作成功。成功后，终端进入循环模式，等待定时中断是否唤醒，读取传感器数据后发送至协调器，然后进入休眠模式等待下一次唤醒。如果协调器有指令发出，终端节点便执行指令，否则继续休眠。工作流程如图2所示。 3.2 手机APP应用程序设计
根据智能家居在环境监控中的实际应用需求，本设计中手机APP的开发平台采用Android Studio。手機APP的工作状态分为数据采集、数据分析、逻辑判断共三种。ZigBee模块启动时开始采集数据，传感器模块进行数据分析，待逻辑判断结束后进行具体处理，如果判断出现异常，手机APP将发出消息，方便用户及时了解。
3.3 系统测试
本测试主要针对机器人的清扫性能。在测试过程中，机器人对于规避障碍物的能力极强，可较好地行走，适合家庭环境。由测试数据可知，该机器人的清扫速度和一次装水后可以拖地的面积完全满足日常使用。当传感器采集到地面湿度信息处于正常值时，手机APP上显示当前湿度，此时处于正常状态，显示界面如图3所示。
当传感器检测到湿度超过正常值时，便处于异常状态，手机APP上显示当前湿度，但机器人不受影响可以正常工作，显示界面如图4所示。
当地面存在大量积水时，传感器采集信息，若判断为地面存在无法清理的积水时，上机位发送指令让机器人停止工作，并向手机APP发送积水警报。
4 结 语
本文针对日常家居环境，设计了一种智能环境监控系统，在传统的智能产品上进行升级改造，利用ZigBee技术、STM32技术等，结合手机APP客户端将家庭实时环境情况传达给用户。本设计网络覆盖范围广、性能稳定、性价比高、可靠性与实时性强。相比传统的家庭环境监控系统更加灵活，同时基于ZigBee网络的特殊性，本系统后期升级改造较方便。
参 考 文 献
[1]周文麟.城市无障碍环境设计[M].北京：科学出版社，2000.
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[5]邓云伟.轮式移动机器人运动控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.
[6]杜德飞.智能家居无线系统设计及实现[D]. 广州：华南理工大学，2012.
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[8]仲伟波，王婷婷，张泽武.基于ZigBee与WiFi的环境智能传感系统研制[J].农机化研究，2012（12）：186-189.
[9]闫廷光，肖丰霞.基于ZigBee技术的智能环境监测系统[J].信息技术与信息化，2014（12）：102-103.
[10]鲁楠，杨东凯，吴兴跃.基于ZigBee的智能家居环境监测报警系统设计[J].计算机工程与应用，2014，50（S1）：329-334.
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