基于ZigBee的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李紅博 朱留存 李明 夏建琪 劉文娟

摘要：針對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求，系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)中ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點(diǎn)，用CC2530芯片、SHT11溫濕度傳感器及MQ-2氣體傳感器等節(jié)點(diǎn)，在ZigBee2006協(xié)議棧的基礎(chǔ)上開發(fā)出家居終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用終端節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)供用戶觀察。實(shí)驗(yàn)表明，利用ZigBee技術(shù)可降低系統(tǒng)復(fù)雜度并節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的區(qū)域化靈活控制。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2530；傳感器；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）07-65-3

Design on Home Environment Monitoring System Based on ZigBee

LI Hongbo， ZHU Liucun， LI Ming， XIA Jianqi， LIU Wenjuan

（Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225000， China）

0引言

隨著人們生活水平的提高，家庭居住環(huán)境受到越來越多的關(guān)注。為提高家居環(huán)境的舒適度，對(duì)環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)成了人們關(guān)注的現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基本的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)包括對(duì)室內(nèi)溫濕度和氣體的監(jiān)測(cè)。家庭網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)用之間的分布范圍要求低，而對(duì)可靠性、低成本、低功耗等方面要求高，ZigBee這種短距離無線傳感技術(shù)就能很好地應(yīng)用于家庭網(wǎng)，同時(shí)它自組網(wǎng)自愈合的特點(diǎn)能提高系統(tǒng)的靈活性[1]，無線技術(shù)又能省去總體布線上的工作量，降低家庭布網(wǎng)復(fù)雜度；本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的溫濕度和氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，利用PC機(jī)上收集的從終端上傳的數(shù)據(jù)，用戶可遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)家居設(shè)備和環(huán)境，從而提高用戶使用的便捷性，提高人們的生活質(zhì)量。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成，其中無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊包括了室內(nèi)各終端節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器，用戶監(jiān)測(cè)模塊為上位機(jī)監(jiān)測(cè)[2]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)相連后上傳或者接收數(shù)據(jù)，用戶監(jiān)測(cè)模塊則可以實(shí)時(shí)顯示從終端上傳的數(shù)據(jù)。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?/p>

ZigBee支持星型、樹型和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。協(xié)調(diào)器是3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中必不可少的，負(fù)責(zé)發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)，保障各節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸。在樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由設(shè)備則起到了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的作用，相比于星型網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可以增加到10倍以上[4]。考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小以及節(jié)約存儲(chǔ)空間及成本等方面，系統(tǒng)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的無線通信模塊選用的是德州儀器公司推出的CC2530芯片，能支持的可編程閃存達(dá)8 KB RAM，輸出功率可達(dá)4.5 dBm[5]，靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，結(jié)合德州儀器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Z-Stack，可以提高開發(fā)效率；另外，它有多種供電模式，能有效降低能源消耗，滿足家庭無線網(wǎng)絡(luò)中超低功耗的需求。

系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)模塊主要由SHT11溫濕度傳感器、MQ-2氣體傳感器、繼電器和蜂鳴器組成，2種傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

①SHT11集成了溫度和濕度2種傳感器，具有高精度、高反應(yīng)速度及體積小等特點(diǎn)，與CC2530連接之后就能采集溫濕度，操作簡(jiǎn)單。

②MQ-2傳感器可以監(jiān)測(cè)室內(nèi)液化氣、甲烷、丁烷及煙霧等氣體，對(duì)它設(shè)定氣體閥值之后，若氣體濃度在設(shè)定的閥值以下，則輸出高電平，模擬接口的電壓顯示為低電壓；若氣體濃度超過限定閥值，數(shù)字接口輸出低電平，電壓值則會(huì)變大，由此驅(qū)動(dòng)繼電器控制氣體開關(guān)和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ZigBee協(xié)議是一種短距離無線通信協(xié)議[6]，低功耗和低成本的特點(diǎn)滿足家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。系統(tǒng)下位機(jī)軟件程序是基于德州儀器公司推出的Z-Stack協(xié)議棧，利用IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的。其中，Z-Stack協(xié)議棧中的路由協(xié)議可以解決協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)組建問題，而調(diào)用Z-Stack協(xié)議棧中的API可以完成協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的通信。

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)組建和維持網(wǎng)絡(luò)，組建網(wǎng)絡(luò)成功后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的LCD屏上會(huì)顯示網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)并對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的入網(wǎng)請(qǐng)求作出響應(yīng)。若協(xié)調(diào)器地址空間未滿，它就會(huì)給終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)并通過串口與上位機(jī)通信，通過中斷返回，形成一套循環(huán)監(jiān)測(cè)機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)[7]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件操作流程如圖3所示。

終端設(shè)備初始化之后，尋找可用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器響應(yīng)之后，終端節(jié)點(diǎn)將地址ID發(fā)送給協(xié)調(diào)器。入網(wǎng)后，終端周期性地將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)軟件操作流程如圖4所示。

4測(cè)試結(jié)果與分析

上位機(jī)是利用Visual C++6.0開發(fā)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，功能主要是實(shí)時(shí)顯示溫度和濕度，并顯示出溫濕度的趨勢(shì)走向圖，同時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的氣體狀態(tài)。設(shè)備上電之后，將電暖器接近傳感器后離開，溫度變化曲線如圖5所示，將加濕器接近傳感器后迅速離開，濕度變化曲線如圖6所示。預(yù)先設(shè)定好預(yù)警值后，氣體傳感器監(jiān)測(cè)空氣中的氣體濃度，上位機(jī)平臺(tái)根據(jù)氣體濃度是否超過預(yù)警值，顯示氣體狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中用SmartRF Studio7軟件測(cè)試并結(jié)合實(shí)際溫濕度的比較，在室內(nèi)環(huán)境中，溫濕度曲線變化狀態(tài)與溫濕度計(jì)相符。當(dāng)通信距離小于100 m時(shí)，通信的丟包率趨近于0%；而當(dāng)通信距離大于100 m時(shí)，出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，并且丟包率隨著通信距離的增加而變大。

5結(jié)束語

系統(tǒng)簡(jiǎn)要介紹了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、軟硬件的設(shè)計(jì)以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)靈活，在短距離傳輸中運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的實(shí)時(shí)性，并且符合家庭監(jiān)測(cè)網(wǎng)中低功耗及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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