基于ZigBee的家居環境監控系統設計

徐小玲，劉美

（廣東石油化工學院 廣東 茂名　525000）

基于ZigBee的家居環境監控系統設計

徐小玲，劉美

（廣東石油化工學院 廣東 茂名525000）

文中提出一種靈活的，獨立的，低成本的智能家居系統，以ZigBee無線通信構成網絡為核心，GSM移動通信為輔，實現對多個傳感器采集的信息綜合處理，通過GSM模塊發送短信，傳遞環境信息，根據相應的控制信息實現各自的響應。實驗證明，系統設計達到預期的設計指標，滿足系統的要求。

ZigBee；家居監控；GSM；CC2430

隨著電子技術的融合和家庭自動化領域的擴大，智能家居為忙碌的家庭和有物理局限的個人描繪了一個有吸引力的家庭自動化和網絡的市場，提出了各種智能系統的控制。其中，藍牙的功能不錯，目前安裝于便攜式電腦/筆記本電腦、平板電腦、手機內置適配器。不過藍牙限制了環境范圍的控制，大多數其他系統實現低成本的解決方案不太可行。在基于WiFi的家庭自動化系統[1]中，它使用一個基于web服務器管理連接設備的電腦（內置WiFi卡）。用戶可以管理和控制本地系統（LAN）或遠程網絡。系統支持范圍廣泛的家用自動化設備。其他報道如[2-5]也提出了網絡控制系統組成的專用的web服務器、數據庫和web網頁連接和管理設備。這些系統使用PC直接導致成本和功耗的增加。文獻[6]提出一個基于語音激活無線自動化系統的設計和實現。用戶使用麥克風通過無線射頻（RF）鏈接到主控制接受單元發送和處理的語音命令，由單片機處理執行所需的操作。缺點是系統只能控制在射頻范圍內。文獻[7]采用一個聲音激活的智能家居自動化系統。系統提供了圖形用戶界面（GUI），使用由PC機運行的微軟VB軟件，并使用微軟語音識別引擎。相對于通過射頻鏈路傳播信號的單片機界面上的設備來說，再次增加了電腦的成本和功耗。

隨著手機用戶的急劇增加，手機已經逐漸成為一個萬能的便攜式設備，為人們提供日常的使用。其次，針對當前市場，ZigBee[8-10]在家居安防，照明控制，智能大廈以及醫療監控等方面具有獨特的優勢，能更好地滿足用戶在這方面的需求，因此，本文提出了一個低成本的用于控制和檢測家庭環境的智能系統。系統以Zigbee無線通信構成的網絡為核心，GSM移動通信為輔，實現對多個傳感器采集的信息綜合處理，通過GSM模塊發送短信，傳遞環境信息，根據相應的控制信息進行各自的響應（如燈的開關等）。本系統主要功能：1）監控家居環境的煤氣泄漏情況實現報警及GSM通知；2）采集光照度，根據光照度信息驅動步進電機，帶動窗簾的開合，改變窗戶的進光量；3）根據人體紅外傳感器進行安防探測，從而給出報警信息；4）監測室內照明度，據此控制節點進行燈光的調整。

1　系統硬件設計

整個系統網絡形成星形組網。終端節點為簡化功能設備，實現數據采集，只能與協調器直接通信。協調器是整個系統的核心部分，負責一個PAN區域的網絡建立及管理。同時負責接收，顯示和處理傳感器節點發送過來的數據信息。

1.1協調器節點設計

系統中，協調器不僅能夠主動請求所有節點信息，而且需要控制每個節點的狀態，各個節點能夠及時的將自己的狀態信息返回給協調器。協調器節點硬件采用TI-CC2430超低功耗處理器。CC2430系統時鐘由32 MHz的無源晶振提供，休眠時使用32.768 kHz的無源晶振。同時，系統的復位電路與RESET引腳相連，可在必要時初始化系統。選用低成本NOKIA 5510 48×84點矩陣LCD液晶顯示。PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅動器，設計為驅動48×84的圖形顯示。所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發生器，只須很少外部元件且功耗小。它與微控制器的接口使用串行總線。系統設置菜單，方便顯示和管理各個節點信息。其次采用USB供電，可以從任意USB口接入5 V電源，5 V電源入到AMS1117-3.3的三端線性穩壓電路中，固定輸出電壓為3.3 V。其中AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩壓電路，內部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統的穩定性，供電電路如圖1所示。

圖1　供電電路Fig.1　Power supply circuit

1.2終端節點設計

系統有一共有7個終端節點。如圖2所示終端節點的通用硬件框圖。

1）溫度傳感器模塊

溫度測量采用DS18B20，它在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現與微處理器的雙向通訊。其接線方便，封裝成后可應用于多種場合，溫與CC2430的P1_3相接，將采集到的溫度信息，送到CC2430后在LCD上面顯示。系統設置顯示的溫度范圍是0～100℃。

圖2　終端節點通用硬件框圖Fig.2　Terminal node general hardware block diagram

2）煙霧傳感器節點

系統使用MQ2煙霧傳感器作為燃氣泄露檢測裝置。煙霧傳感器原理圖如3所示，其工作電壓是5 V，探測到煙霧的時候信號燈D2點亮。電路具備模擬輸出與數字輸出，隨著煙霧濃度由高到低，模擬電壓也由高到低。電位器可以調節產生報警的煙霧濃度的臨界值。

用LM358運放構成電壓比較器，模擬量AOUT_MQ2作為反向端，調節電位器RP3可以微調AOUT_MQ2的值。同樣，同相端接在RP1，可調。兩個電位器就可以調節數字量DOUT_MQ2的臨界煙霧濃度。系統將模擬量輸出連接到CC2430的AD采樣通道P0_7，轉換讀取到的煙霧濃度值與系統設定值比較，若大于臨界值則發出報警信號。

3）紅外報警節點

節點使用DYP-ME003人體感應模塊做為人體探測傳感器，人進入其感應范圍輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。它是基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產品。該模塊能夠調節感應靈敏度，能夠調節延時時間，以適應應用的需要。將紅外熱釋電傳感器輸出號則觸發報警。

圖3　煙霧傳感器電路Fig.3　Smoke sensor circuit

4）照度傳感節點

采用光敏電阻作為照度傳感器，其電路較為簡單，隨著光強的增加，光敏電阻減少，輸出電壓OUT逐漸降低。因而可以根據OUT的電壓的高低計算照度的大小。系統采集到照度信息后，開關電燈，驅動步進電機，帶動窗簾的開合，改變窗戶的進光量。照度傳感器輸出連接到CC2430的AD采樣通道P0_7，轉換讀取到的照度值。

5）排氣扇節點

本系統為演示方便，使用直流5 V驅動的筆記本扇熱風扇，使用NPN9014與PNP9012組合為復合管，控制端CTL連接CC2430 P2_2。一旦檢測到煤氣泄漏，協調器就會發送信號到節點，開啟排氣扇。

6）窗簾節點

圖4　窗簾驅動電路Fig.4　The curtain driver circuit

系統采用四相步進電機驅動窗簾，驅動電路如圖4所示。UL2003接1B-4B接CC2430的P0_1-P0_4。驅動采用查表的方式，輸出不同的驅動信號驅動步進電機正轉、反轉控制窗簾開合。

7）GMS模塊

GSM模塊在無線監控系統中的應用無處不在。系統通過結合GSM模塊，可以實時將環境中的一些突發情況發送到手機上，使應用者可遠在異地了解到發生的事情，從而可以根據各種情況發送相關的控制信息到控制裝置，進而控制相應的設備。系統通過CC2430協調器的串口0與GSM模塊相連，發送報警信息，接收短信控制設備。GSM的硬件電路采用如圖5所示的電源供電。

供電電源采用標配的12 V/2 A輸入，經穩壓芯片LM2576穩壓成5 V電壓輸出，輸出與輸入部分均采取電容濾波，濾除干擾，輸出由大電容儲能，5 V電源輸出由LED指示燈指示。GSM核心TC35的外接如圖6所示，與SIM卡的連接如圖7所示。

這三者之間通過跳線帽可以切換三者之間的通信，通過連接可以實現GSM與MCU之間的通信或GSM與PC電腦之間的通信連接。

2　程序設計

在ZigBee網絡中，網絡協調器負責建立無線網絡，接收終端節點的狀態信息并報警或顯示，發送命令控制節點的狀態。協調器應用層的程序包括安防、電器控制、傳感、無線數據傳輸和人機交互模塊的等模塊。

圖5　GSM硬件電路Fig.5　GSM hardware circuit

終端節點負責數據采集，報警或顯示，發送狀態信息給協調器。終端節點應用層的程序主要包括傳感、報警、無線數據傳輸和人機交互模塊。

系統在斯凱科技ZigBee開發套件基礎中設計中完成，程序設計中，Z-STACK是一個基本的輪詢操作系統，ZSTACK的main函數位于ZMain.c，總體來說主要完成兩部分工作，一是系統初始化，二是執行操作系統實體。系統啟動代碼需要完成初始化硬件平臺和軟件架構所需要的各個模塊，為操作系統的運行做好準備工作，主要分為初始化系統時鐘、檢測芯片工作電壓、初始化堆棧、初始化各個硬件模塊、初始化FLASH存儲、形成MAC地址、初始化非易失變量、初始化MAC層協議、應用幀層協議及操作系統等。啟動代碼為操作系統的執行做好準備工作后，執行操作系統入口程序，并徹底將控制權移交給操作系統。通過不斷查詢每個任務是否發生，若發生，則執行相應的函數，沒有發生就查詢下一個任務。

2.1協調器組網

模塊程序中協調器建網的過程如圖8所示。系統協調器建網過程，系統在TI-ZSTACK協議棧的基礎上加以開發，快速實現目的功能。系統協調器建網過程，在zb_HandleKeys函數中添加處理程序，定義事件MY_START_EVT，用于啟動設備的協議棧，使設備加入網絡。終端節點需要在上電后立即搜尋并加入網絡，直接在ZB_ENTRY_EVENT事件的處理程序中執行zb_StartRequest（）。

圖6　TC35的外接電路Fig.6　External circuit of TC35

圖7　與SIM卡連接電路Fig.7　Connecting circuit with SIM card

圖8　協調器建網Fig.8　Networking of coordinator node

2.2終端節點

終端節點在系統加入網絡后，增加新的事件，用于觸發網絡狀態更新和液晶顯示。終端節點在上電后立即搜尋并加入網絡，終端節點添加的事件有：更新網絡狀態，實現節點狀態檢測，節點上的無線收發芯片采用簡單的定時發送，發送內容為存在信息，包括自己的位長地址，發送時鐘的分鐘數，并實現將存在信息向最近的路由節點的傳輸。路由節點作為定位節點的父節點，當接收到定位節點發出的存在信息時，將該定位信息加上自己的地址信息，并將此信息路由跳傳至接入節點。協調器與終端節點之間通信主要完成數據發送與數據接收，通信的主要內容是節點狀態信息或報警信息。在發送數據中，以燈節點為例，數據發送過程中首先定義節點信息的結構體，獲取燈的開關狀態，將數據發送給協調器，這里協調器不僅能夠主動請求所有節點信息，而且需要控制每個節點的狀態，各個節點必須能夠及時的將自己的狀態信息返回給協調器，并保存節點信息。其中，協調器與每一個設備的操作可以對應一個命令。

2.3GSM發送與接收

MCU可以通過正確的AT指令對TC35模塊進行初始化和短消息的接收發送。對短消息的控制共有3種模式：Block模式、PDU模式和Text模式。系統使用PDU模式進行短消息的接收和發送。MCU通過系列AT指令對短消息進行控制。利用MCU的中斷等功能可對外界的突發事件進行監測。中斷源產生中斷后，MCU應用系統就會發出指令執行相應的報警程序。報警信息通過SMS形式發到用戶手機上，使用戶采取相應的處理措施。用戶可將SIM卡上電話簿的第一個號碼設為報警號碼，應用系統的中斷源產生中斷，以短信息的形式將報警信息發給報警號碼，從而實現向用戶報警的目的。

3　結　論

本文以Zigbee為主，結合GSM完成家居環境監控系統設計，在硬件設計方面包括電源模塊、GSM模塊、液晶顯示、煙霧報警模塊、紅外報警模塊，光照監測模塊、溫度檢測模塊以及通訊距離測試，通過測試，各個模塊均能正常工作，均達到預期的設計指標，滿足系統的要求。系統在由于其靈活性高因此在后期可以適時地加入一些新的節點，實現根據相關的量度去進行調控；

在Zigbee日益完善的未來，項目具有安裝布置靈活、安裝費用低廉和可移動性的特點，更容易構建一個無線局域系統?？蓱迷诶鐭o人值守的倉庫管理與現場監控、無線自動售貨機監控、灌區流量遙測系統等眾多方面。

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Design of domestic environment monitoring system based on ZigBee

XU Xiao-ling，LIU Mei
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

A flexible，independent，low cost of smart home system was proposed.The wireless communication based on ZigBee is the core of networks，the GSM mobile communication is complementary.In the system，the information that was collected by multiple sensors was processed synthetically，and text messages was send through the GSM module，environment information was transmit，to realize their own response according to the corresponding control information.Experiments have shown that the system achieved the desired design indicators and met the requirements of the system.

ZigBee；home monitoring；GSM；CC2430

TN92

A

1674－6236（2016）01-0152-04

2015-05-12稿件編號：201505099

2014年國家自然科學基金（61473331）；2013年茂名市科技計劃項目（201311）

徐小玲 （1984—），女，福建建甌人，碩士，講師。研究方向：無線傳感器網絡。