基于ZigBee 的家居環境監測系統硬件設計

潘曉貝

（1.河南省高校節能照明工程技術研究中心，河南 三門峽，472000；2.三門峽職業技術學院智能制造學院，河南 三門峽，472000）

隨著時代的發展、科技的進步，人們對家居環境的安全、舒適度的要求也越來越高，要求能夠實時地對家居環境的火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等信息進行監測，以便及時進行處理，從而提高家居安全[1]。本文基于ZigBee 無線通信技術實現家居環境無線監測系統。系統硬件采用模塊化設計，終端節點是由各類傳感器和ZigBee 模塊組成，用來監控室內各項參數；協調器節點由ZigBee 模塊構成，用來處理終端節點傳來的各種信息，如果有異常信息，報警電路蜂鳴器發出聲響，實現報警的功能。

1 ZigBee 技術簡介

1.1 ZigBee 技術特點

ZigBee，也稱紫蜂，是一種近距離、低速率、低功耗的無線通信技術。ZigBee 技術特點如下：

1.1.1 功耗低。ZigBee 模塊設備具有較短的工作時間以及較小的數據傳輸，且具有睡眠模式。所以，ZigBee 模塊的功耗低到用兩節普通干電池就可以工作半年以上。

1.1.2 成本低。ZigBee 技術的協議是免費的，協議棧的設計不復雜，再加上它本身造價就比同類技術低，故成就了它的低成本。這對ZigBee 技術來說又是一個較大的優勢。

1.1.3 可靠性高。ZigBee 技術使用CSMA/CA 沖突避免機制為通信功能留下專用時間間隔，避免數據傳輸和接收期間的沖突。MAC 層使用完全確認的機制，每個數據包都要讓接收方確認才能進行下去。這些都從根本上保證了數據傳輸的可靠性。

1.1.4 時延短。與藍牙相比，ZigBee 技術的時延短。通信延遲和來自睡眠狀態的延遲都非常短。正常的搜索設備時延30ms，而藍牙則需要3～10s。睡眠激活延遲為15ms，激活設備后的訪問延遲為15ms。因此ZigBee 在對時延要求比較高的場合下十分適用。

1.1.5 網絡容量大。藍牙最多可以連接7 個設備，而ZigBee 網絡中每個協調器可承擔255 個模塊，一個ZigBee 網絡能夠承擔65535 個模塊[2]，網絡容量大，組網靈活。

1.1.6 安全性好。ZigBee 提供了三級安全模式。第一級其實是不安全的方式，當數據并不需要安全性保障或者說數據已經具有安全保障時，我們就可以用第一級安全模式來傳輸; 第二級安全級別，設備能使用訪問控制列表（ACL）來防止未經授權的器件竊取數據，并且不在此級別使用數據加密;第三級安全級別使用高級加密標準（AES）的對稱密碼，以靈活地確定其安全性。

1.1.7 有效范圍小。ZigBee 有效覆蓋范圍10m—75m 之間，根據模塊的發射功率和室內構造所決定，基本上可以覆蓋整個家庭[3]。

1.1.8 兼容性好。ZigBee 與有的控制網絡標準無縫集成。網絡由協調器自動建立，并且通過使用載波偵聽/沖突檢測（CSMACA）來執行信道訪問。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

1.2 ZigBee 網絡結構

ZigBee 協議棧結構如圖1 所示，由物理層、媒體訪問控制層、網絡層和應用層4 層組成，每一層服務于上一層。我們常說的IEEE802.15.4 通信層其實是由物理層和媒體訪問控制層這兩層組成的。底層控制模塊加射頻收發器組成物理層（PHY層）；媒體訪問控制層（MAC 層）的作用是為高層服務，為其提供訪問物理信道的接口[4]。

圖1 ZigBee 協議棧結構

ZigBee 網絡有星型、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構，如圖2 所示。星型結構只是簡單的終端和協調器之間的互動；樹狀結構是星型加星型或者多個星型連在一起外加一個協調器組成；網狀結構最復雜，由樹狀結構加上星型或者其他的樹狀結構組成，但它擁有另外兩種拓撲結構不可比擬的靈活性和抗干擾能力[5]。其中，星型結構適合家居環境的智能監測等小范圍的室內應用，故本系統的ZigBee 網絡采用星型結構。

圖2 ZigBee 網絡拓撲結構

協調器是ZigBee 網絡的核心[6]，如果把整個網絡比作人體來看，終端設備就相當于人的各個功能部位，而協調器就相當于人的大腦，它負責接收處理各個部位傳來的信號，然后下達該怎么做的指令。

2 系統總體設計

本文設計的基于ZigBee 的家居環境監測系統是在近距離，低成本和低速率的ZigBee 協議的基礎上，通過煙霧傳感器、氣體傳感器以及人體紅外傳感器和ZigBee 模塊組成終端設備用來檢測數據，然后把檢測到的數據無線傳輸到協調器上進行數據處理分析，如果檢測到的數據出現異常則報警電路發出報警聲響，從而實現對室內參數的實時監控以及報警功能。

該系統的硬件整體框架如圖3 所示。該系統由以下幾部分組成：主控部分，由CC2530 作為核心的ZigBee 模塊作為本系統的協調器統籌全局；監控部分，由煙霧傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器作為系統的探測器監控室內的各項參數，并把監測到的信息傳輸給協調器由協調器處理各種信息；電源部分，給整個系統供電，保證系統能夠正常運行；報警電路實現異常情況的報警。

圖3 系統整體結構框架

3 系統硬件設計

3.1 主控芯片選擇

基于ZigBee 的家居環境數據監測系統主要是為了實現家居環境中一些事故的監控、預防和報警功能。結合ZigBee 的無線傳輸優勢和組網方式配合不同功能的傳感器，組成了終端采集節點。本系統選用德州儀器公司的ZigBee 芯片CC2530 為本系統的主控芯片，這款芯片是一款真正的片上系統芯片，它還擁有多種運行模式，并且各種運行模式之間的轉換時間非常短，這就使得它能很好地適應超低功耗的系統。CC2530 的供電電壓為2～3.6V，該芯片包含多種不同功能的定時器、DMA 控制器、12 位ADC 和12 位DAC 以及通用接口等其他資源。因此將此芯片作為本系統的主控芯片。其電路原理圖如圖4 所示。

圖4 基于CC2530 的無線通信SOC 電路

3.2 電源電路

電源電路主要為系統各模塊供電，由于CC2530 的供電要求為3.3V，而負責信息采集的傳感器的供電要求為5V。因此本系統使用電池供電，然后再使用低壓降穩壓器ASM1117-3.3 輸出3.3V 直流電壓。電源電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電源電路

3.3 復位電路

CC2530 的復位電路，如圖6 所示。

圖6 CC2530 的復位電路

3.4 煙霧、氣體探測傳感器模塊設計

一般來說，如若發生火災，就會有煙霧產生，或者家里的燃氣泄漏產生易燃易爆的氣體。因此火災探測模塊的設計需要一款既能檢測到煙霧又能檢測到可燃氣體的傳感器，這樣就能有效的預防火災的發生。

本系統的火災探測模塊使用了MQ-2 傳感器作為火災探測模塊的探測器來監控室內煙霧濃度和可燃氣體濃度來判斷是否著火或者有可燃氣體泄露。MQ-2 屬于混合型傳感器既能檢測煙霧又能檢測可燃氣體，并且其靈敏度很高，穩定性和抗干擾能力也很強，能滿足本系統的需求。

MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，當它監控的范圍內煙霧濃度超過設定值時，其電導率會變大，電阻降低，輸出信號變大，對可燃氣體的檢測也是如此。利用這個原理來對室內的可燃氣體、煙霧的濃度進行實時監控實現火災或者可燃氣體泄露報警的功能。

圖7 為煙霧、氣體探測傳感器與CC2530 的接口電路。

圖7 MQ-2 氣體/煙霧傳感器原理圖

3.5 人體紅外探測模塊設計

該模塊功能為檢測人員入侵，當有人進入到該探測器的探測范圍時就會有高電平輸出信號，而當人員遠離這片區域時輸出信號就變成了低電平，該模塊使用的人體紅外探測器型號為HC-SR501，該探測器模塊能在監測值發生變化時在極短的時間內對該變化產生反應，并且在無人干預的情況下能長時間保持穩定的運行以及出現溫差時還能自動校準補償，能解決因各種原因導致的溫度變化引起的檢測距離變化問題，可廣泛應用于各種感應電路中。由于該模塊的感應探頭有兩個長方形的感應窗口，所以當人體從不同的位置經過時，紅外光譜到達兩個感應探頭的時間有偏差，其偏差越大感應越靈敏，當人從正面靠近或從上下經過紅外模塊時由于紅外光譜到達兩個感應探頭的時間偏差值較小，可能會出現模塊工作不靈敏或者不工作的情況。因此人體紅外模塊在安裝時應注意安裝方向，盡量與人的行動方向平行[7]。圖8 是人體紅外探測模塊與CC2530 的接口電路。

圖8 人體紅外感應器原理圖

3.6 報警電路設計

該系統報警電路使用蜂鳴器報警，直接把蜂鳴器插到協調器的引腳P0_7 口上，如果協調器接收到終端節點傳送過來的報警信息蜂鳴器就會發出蜂鳴聲，提醒用戶有警報信息，及時處理。

4 系統軟件設計介紹

系統軟件開發使用的是8051C/C++編譯器，系統軟件的開發平臺是通過TI 的Z-Stack 進行。包括系統各模塊程序在內的所有系統程序都是在Z-Stack SampleApp 工程基礎上開發的[8]。

由于ZigBee 協議棧已經在該軟件開發平臺實現，因此主要針對應用層用戶程序進行節點程序的開發。本系統的ZigBee 無線網絡采用星型結構，系統軟件設計主要包括終端數據采集節點設計和協調器節點設計[9]。終端數據采集節點軟件設計主要是采集家居環境的信息，如火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等。協調器節點的軟件設計主要是ZigBee 網絡組建的程序設計。

5 結語

基于ZigBee 技術設計家居環境監測系統，各類傳感器結合ZigBee 模塊，實現家居環境中的火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等信息的實時監測，如果有異常信息，蜂鳴器發出聲響，實現報警的功能，以便及時處理，從而提高家居安全。該系統有組網方便、功耗低、成本低、誤報率低、可擴展性強等優點[10-11]，具有較強的實用價值和很好的市場應用前景。