基于ZigBee的智能家居溫濕度監測系統設計

鄔春明，楊文月，程 亮

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012)

隨著我國國力的不斷增強，人民的居住環境也在日新月異的科學發展中不斷改善，而家居安防系統已成為家居智能化的重要組成部分。要避免失火，煤氣泄漏這類事件的發生或者將事故的損失降到最低，傳統的人防保安方式已難以適應住戶的要求，利用先進的計算機、通訊與網絡等技術為居民提供成本低廉，安全性強的安全防護系統，已成為家居安防系統發展的必然。溫濕度監測系統作為家居安防系統的子系統，對家庭內火災的發生起到預警作用。本文設計的無線溫濕度檢測系統中，終端節點由CC2430芯片和數字溫濕度傳感器SHT10構成，通過ZigBee實現無線通信，數據經協調節點發送至上位機進行處理。該系統能實現溫濕度數據采集和無線發送，并能在上位機顯示。

1 溫濕度監測系統總體設計

家庭安防系統中，網絡技術的選擇一般以下面兩個方面作為依據:一是組建網絡的性能要求，如數據傳輸速率、可靠性等;一是能否滿足用戶的功能需求。從技術角度上看，目前家居安防系統組網的實現方式主要有三大類別:有線技術、電力載波(PLC)技術、無線技術。

傳統的家居安防系統一般采用有線方式組建，包括以Lon Works、CEBus、RS485、CAN Bus、Ethernet等技術支持的總線方式和以X-10協議支持的電力載波方式。有線方式具有網絡抗干擾性好，容量大、速率高等特點，但布線麻煩，影響美觀，系統擴展性差，系統安裝和維護成本高，移動性差。ZigBee技術作為一種低功耗、低數據速率、低成本的無線技術，更適合于家庭自動化、安全保障系統及進行低速率傳輸的低成本設備之間。

溫濕度監測系統作為家居安防系統的子系統，對家庭內火災的發生起到預警作用。本文基于CC2430和數字溫濕度傳感器SHT10，設計了一個監測溫濕度終端節點，使用ZigBee技術實現溫濕度的無線檢測。溫濕度監測系統原理圖如圖1所示。

圖1 溫濕度監測系統原理圖

本系統主要由三個單元構成:溫濕度傳感器節點、協調節點和上位機。其中溫濕度傳感器節點由溫濕度傳感器SHT10與CC2430射頻收發裝置組成，采集的溫度數據、濕度數據通過ZigBee無線射頻方式發到協調節點，協調節點再通過RS232串口線將數據傳給上位機做進一步處理和顯示。協調節點與傳感器節點可以采用星型網絡拓撲結構通信，可以同時監測多個區域，何時監測哪個區域由協調節點來控制。當被檢測區域的障礙物較多或者協調節點距離傳感器節點較遠時，亦可采用樹型網絡拓撲結構，即通過增加路由器節點來增強網絡的穩定性。本系統采用星型網絡拓撲結構。

2 監測節點硬件設計

本文設計的家庭ZigBee安防網絡是由大量體積小、成本低、具有無線通信、傳感、數據處理功能的傳感器節點(sensor node)組成的。每一個傳感器節點由數據采集模塊(數字傳感器)、數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發器)和電源模塊等組成。

無線溫濕度監測系統可分為協調節點和無線終端節點兩大部分。每個節點都配CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司(已在2006年被美國德州儀器TI公司收購)推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統，它是世界上首個真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個真正意義上SoC。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議。協調節點的CC2430芯片經RS232串口線連接上位機，而無線終端節點通過CC2430的I/O口連接數字傳感器采集信息。CC2430的應用電路原理圖如圖2所示。

圖2 CC2430的應用電路原理圖

本系統的溫濕度傳感器采用集成溫濕度傳感器SHT10。封裝格式采用DHT90，即將傳感器器件SHT10和信號處理集成在一塊微型電路板上，輸出全標定的數字信號。傳感器采用專利的CMOSens?技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。DHT90的供電電壓范圍為2.4-5.5V。DHT90的串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優化處理;傳感器不能按照I2C協議編址，但是:如果I2C總線上沒有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C總線上，但單片機必須按照傳感器的協議工作。SCK用于微處理器與DHT90之間的通訊同步，DATA三態門用于數據的讀取。SHT10與CC2430連接電路原理圖如圖3所示。

圖3 SHT10與CC2430連接電路原理圖

3 節點軟件設計

無線溫濕度檢測系統的軟件實現包括兩部分:ZigBee協調節點和溫濕度傳感器節點。ZigBee協調節點的主要作用是組建一個網絡、接受終端節點入網和發送來的數據，并通過串口發送數據至PC機。首先對協調節點進行初始化(包括處理器、協議棧、中斷、串口等);之后新建一個網絡并進入網絡監聽和等待狀態，當收到子節點的入網請求后，協調節點先隨機為子節點分配一個網絡地址，然后向子節點發送入網確認信息，建立連接后等待接收終端節點發送溫濕度數據;數據接收成功后發送數據到PC機。

溫濕度傳感器節點作為終端節點，負責采集、處理和發送數據。首先溫濕度傳感器SHT10用一組啟動傳輸時序進行數據傳輸的初始化，然后發送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)，釋放DATA線，等SHT10下拉DATA至低電平，表示測量結束，同時接收數據，完成初始化過程;之后節點發送入網請求，加入網絡成功后進入空閑狀態待定時時間到進行數據采集并向其協調節點發送，如果發送失敗繼續嘗試，直到發送成功為止。軟件流程圖如圖4所示，圖4(a)為ZigBee協調節點的軟件流程圖，圖4(b)為溫濕度傳感器節點的軟件流程圖。

圖4 節點軟件流程圖

4 結 語

本文設計的無線溫濕度監測系統，作為家居安防系統的子系統。以低成本、低功耗無線單片機CC2430為核心，采用數字溫濕度傳感器SHT10獲取數據，電路結構簡單，工作穩定，檢測精度高，且具有無線數據通信靈活、方便等特點。利用ZigBee實現家居安防系統中部分子系統的無線化，免去了布線帶來的麻煩，整體上節約了系統的成本，有很強的實用性。

［1］王法杰.基于ZigBee的無線溫度檢測系統［J］.工業控制計算機，2010，23(12):53-54.

［2］王延年，穆文靜.基于ZigBee的無線信號采集傳輸系統的研究［J］.西安工程大學學報，2010，24(08):510-515.

［3］李勁松，楊明.基于CC2430和ZigBee2006協議棧的通信模塊設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010(02):26-28.

［4］呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［5］蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用［M］.北京:北京郵電大學出版社，2006.

［6］趙虹鈞.基于ZigBee技術的智能家居系統的設計［D］.上海:上海交通大學，2007.

［7］黃向驥.基于CC2430的無線智能家居系統的設計［D］.太原:太原理工大，2010.

［8］張周.ZigBee技術研究及其在智能家居中的應用［D］.廈門:廈門大學，2007.

［9］業治琦.智能小區網絡化構架［J］.電信工程技術與標準化，2003(04):16-19.

［10］李艷雄，汪魯才，龔偉.基于總線技術的住宅內智能信息傳輸系統研究［J］.低壓電器，2004(07):16-19.

［11］周怡碩，凌志浩，吳勤勤.無線通信技術及其應用探討自動化儀表［J］.自動化儀表，2005，26(06):5-9.