论文总字数：22652字

摘 要

近年来，在国家对新型行业如人工智能、智能交互、智能穿戴等的大力支持下，智能化对于电子工业的要求更加高，在如何满足电子产品的精密加工方面无疑是对电子工业洁净室提出了更高的要求。无论是封闭式还是开放式的洁净区，为了维持洁净区内的生产活动正常活动，都需要采用相应的检测系统实时采集环境质量参数以及相应的控制系统使相关质量参数处于较为稳定的规定范围内。

本文首先研究国内外洁净区的发展进程以及洁净区内环境质量控制方法的发展及现状，参考洁净区厂房设计规范提出一种基于ZigBee无线通信技术洁净区环境质量控制系统，以洁净区为控制对象，洁净区的环境质量参数（温湿度、压差）作为检测及控制指标，通过相应的传感器采集洁净区内的环境质量参数，终端节点通过无线传输技术将数据传输至协调器，协调器节点再通过串口将数据传输至上位机，同时协调器节点作为控制模块的控制器输出相应的控制信号，以维持洁净区内的环境状态稳定。系统设计中，硬件部分对要使用到的传感器、ZigBee模块、控制模块的执行器等进行选型，软件部分对温湿度及压差检测模块、数据传输组网模块和控制模块进行程序设计，完成对系统的调试，来验证是否能实现对洁净区环境质量的控制。

实验结果证明，系统能达到预期的效果，可以实时的检测洁净区内的环境质量参数，并且无线数据传输稳定，能对洁净区的环境状态进行控制，保障了洁净区内的环境质量处于规定的范围内。

关键词：ZigBee技术；洁净区；环境质量；控制

Abstract

In recent years, under the state's strong support for new industries such as artificial intelligence, intelligent interaction and intelligent wearing, the requirements of intelligence for the electronic industry have become higher. In terms of how to satisfy the precision processing of electronic products, it is undoubtedly a higher requirement for the clean room of the electronic industry. In order to maintain the normal activities of production activities in the clean area, the corresponding testing system should be used to collect environmental quality parameters in real time and the corresponding control system should be used to keep the relevant quality parameters within a relatively stable range.

This paper studies the development process at home and abroad a clean area and the development of the clean area environment quality control methods and the present situation, the reference area clean workshop design specification put forward a kind of clean area environment based on ZigBee wireless communication technology quality control system, with the clean area as the object, clean area environment quality parameters (temperature and humidity, pressure differential) as indicators of detection and control, through the corresponding sensors to collect clean area environment quality parameters, using ZigBee technology to access to the data real-time transmission terminal node to the coordinator node, the coordinator node through serial data transmission will be supreme machine, At the same time, the coordinator node outputs the corresponding control signal as the controller of the control module to maintain the environmental stability in the clean area. System design, the hardware part to be used in sensors, actuators of ZigBee module, control module selection, software part of temperature and humidity and pressure differential detection module, data transmission network module and control module program design, completed the debugging of the system, to verify whether can realize the clean area environment quality control.

The experimental results show that the system can achieve the desired effect and detect the environmental quality parameters in the clean area in real time, and the wireless data transmission is stable, can control the environmental state in the clean area, to ensure the environmental quality in the clean area within the specified range.

Key words: ZigBee technology; clean area; environmental quality; control

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及选题意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3论文的主要研究内容 2

第2章 设计主要内容及系统方案论证 4

2.1 系统的设计要求及设计内容 4

2.2 拟采用的技术方案及措施 4

2.2.1下位机方案论证 4

2.2.2系统总体设计框图 6

2.3系统总体技术路线 7

第3章 洁净区环境质量控制系统硬件设计 8

3.1 CC2530 ZigBee模块 8

3.2检测模块的设计 9

3.2.1温湿度检测节点的设计 9

3.2.2压差检测节点设计 10

3.2.4协调器节点设计 11

3.3控制模块的设计 11

第4章 洁净区环境质量控制系统程序设计 13

4.1 ZigBee协议 13

4.2 Z-Stack协议栈 13

4.3 ZigBee无线网络的建立 15

4.3.1 ZigBee网络的拓扑结构 15

4.3.2 ZigBee网络的设备分类 16

4.3.3 ZigBee无线网络的建立 17

4.4 ZigBee终端节点程序设计 18

4.5 ZigBee协调器节点程序设计 19

4.6检测节点程序设计 21

第5章 洁净区环境质量控制系统调试 25

5.1组网测试 25

5.2 数据传输测试 25

5.3 控制模块测试 28

第6章 总结与展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

研究背景及选题意义

在当前社会行业中，互联网和人工智能无疑是其中的佼佼者，而且智能化的产品也与我们的生活息息相关如智能穿戴等，而社会行业形式的发展也影响着制造业的进程，智能产品的高质量要求同时也是对电子产品生产的洁净区的环境质量的高要求。洁净区内的环境参数质量会无规律的实时变化，而为了使洁净区内的生产活动正常进行以及产品质量得到保障，那么就必须采用相应的检测系统实时采集环境质量参数如温湿度、压差等质量数据，使得相关质量参数处于较为稳定的规定范围内。

为了实现高水平的监测和调控洁净区内的温湿度、压差等参数，维持洁净区内环境质量稳定，质量信息采集是其中十分重要的一环，洁净区工作空间较大，为了能准确采集工作区内的环境质量参数的实时数据，需要在洁净区内出入口以及在室内均匀分布温湿度传感器、差压变送器等多个检测节点检测，而无线传感网络技术是一种新的信息采集和处理技术。在ZigBee联盟和IEEE802.15.4组织的推动下，基于ZigBee技术的无线传感网络可以实现一定距离内的无线数据传输^[1]，使得检测系统的硬件外围电路更加简洁，数据传输更加准确高效。

国内外研究现状分析

1.2.1国外研究现状

20世纪70年代，国外开始使用温度计、湿度计等简单的手工测量工具，用于一些对环境的质量参数有要求的场所。20世纪80年代，人们开始利用单片机、传感器和计算机建立系统，对工业生产区域的环境质量参数进行检测和控制。以色列、英国、荷兰等发达国家在电子计算机、传感器等领域的科学技术相对发达，对环境监测系统的研究水平较高^[2]。在环境质量方面，国外一直都对其环境质量一直都很重视，随着技术发展，对室内温湿度的标准约束进行优化，提出了一种相对简单的系统控制策略^[3]，之后为提高系统控制的灵敏度，改进系统为多输入多输出型^[4]，随着自动控制、智能控制的发展，环境质量控制的系统开始采用对系统的PID参数优化，使系统的性能最大化^[5]。技术水平同时随着使用环境的要求作出提升，此前一些无线检测技术主要应用于楼宇环境质量控制系统中，之后由于电子产品的生产规范对电子工业产品的生产环境的要求逐渐提高，洁净区也采用了无线智能的环境质量检测系统，并且能进行自动控制。目前，国外洁净区所采用的环境质量检测控制系统的现代化技术仍在不断的改进与完善，如今正在向更为先进的总线控制系统方向发展。

1.2.2国内研究现状

我国的环境质量监测系统起步较晚，基数较小，也同样经历了移动设备检测及手动控制、传感网络检测及自动控制两个主要阶段，20世纪70年代我国开始陆续从西方发达国家购买配套室内环境监测系统设备，并结合国内生产环境的需要作出改进，1996年新建的上海博物馆就第一次采用以计算机技术为核心的智能控制设备^[6]，并且当时为了适应国防建设的需要，我国的电子工业才刚刚露出苗头，所以应用于洁净区的环境监测系统比较有限。自20世纪90年代，电子工业转向百姓的生活中，使得电子工业得到蓬勃的发展，相应洁净区的环境质量检测系统的要求也趋于高智能化、维护便捷化、网络化，国内环境质量检测控制的系统也经历过有线检测和无线检测的两个阶段，主要区分于采集到的参数是通过什么样的方式汇聚从而产生控制作用，有线检测一般是通过传感器采集数据，经单片机外围电路传输至单片机进行数据处理后输出控制信号或报警信号^[7]，而无线检测是随着物联网技术的发展而被提出的，同样也是通过传感器采集数据，由无线传输的末端节点获取后通过无线传输至中心节点，由中心节点模块对数据进行处理，以达到控制室内环境温湿度的目的^[8]，此时系统所采用的的芯片已经不仅仅是单一的控制单元了，还承载这无线传输的功能。随着电子工业的发展，为规范生产，避免生产状况良莠不齐，我国对洁净区的环境质量提出了一定的标准要求，目前主要是2001年发布的GB 50073 – 2001《洁净厂房设计规范》。

1.3论文的主要研究内容

本文主要依据当前电子工业发展的形势下，针对电子工业生产洁净区的环境质量的特殊要求，一种采用无线通信技术的洁净区环境质量控制系统设计方案被提出，目标是使洁净区的环境质量情况能得到实时的检测并且能够维持在一个规定的范围内。论文的主要安排如下：

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