智能家居環境檢測系統設計

徐俊峰

摘要：本文研究設計了一種智能家居環境檢測系統，實現對家庭環境的實時監測，實時為用戶提供可靠并且全面的環境信息。智能家居系統中一個非常重要的部分就是本文所研究的環境監測子系統。在這個系統中，人們可以獲得實時的居住環境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災信息等。同時，此系統中傳感器所得到的環境參數可以為其它家居設備做決策參考，最終由智能家居系統實現對家庭環境的智能調節，比如，當測量到的光照強度高于用戶設定的一定值的時候，系統就將啟動自動窗簾系統的馬達，自動將窗簾關到一定程度，以降低室內的光強度，適合居住;又如，當溫度值偏低時，系統就將啟動空調設備進行工作，來增高室內溫度。因此，智能家居系統為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環境，從而使環境監測子系統成為了智能家居系統的一個非常重要關鍵部分與基本環節，能否擁有一個好的智能家居系統的關鍵在于能否設計出好環境監測子系統，這對改善人們生活環境的舒適度有非常重要的意義。

關鍵詞：環境檢測;傳感器;Zigbee

1?緒論

自古以來，人類無時無刻不在關注自己的生活，并且不斷提高自己的生活條件，試圖通過自己的努力改善自己的生活。在19世紀時，人類爆發了工業革命，極大的提高了人類的生活質量，在20世紀，由于信息技術革命的成功，使人類的生活飛速發展，進入21世紀后，我們所熟知的計算機網絡通信技術、品種、控制理論和互聯網技術不斷的飛速發展，為了人類的生活條件，人類已經取得了很大的進步。此外，經濟的發展也使我們的理想生活發生了改變，從以前的破舊草屋到現在的舒適別墅，以及所使用的家居。我們可以有一個更好的生活，并且將身體健康作為重要指標。

2 Zigbee技術綜述

ZigBee是一種基于個人區域網絡協議的低功耗，遵從IEEE802.15.4協議。我們由此得出結論，并且根據該協議，我們可以得到，ZigBee技術是應用非常廣泛，它依靠短距離傳送信號，而且功耗低，由此可以被廣泛應用。這種技術是一種無線通信技術。ZigBee名字來自蜜蜂，由蜜蜂的舞蹈形態來命名，因為蜜蜂就是通過跳舞來傳遞新發現的食物或其他信息，換句話說，蜜蜂就是這樣在通訊網絡上實現通信的，由此可知，每個蜜蜂個體都是網絡中的一個節點。

2.1 Zigbee技術特征

ZigBee網絡是通過采用我們所熟悉的無線組織網絡技術來實現通信的，類似于蜜蜂的通信。網絡中節點之間的通信是以單跳或多跳的形式自動建立的。基于ZigBee協議的網絡節點通信。與傳統的無線網絡相比，網絡節點的主要優點有以下幾個方面。

（1）網絡穩定性好。

（2）成本低。

（3）功耗低。

（4）網絡容量大。

（5）數據傳輸速率低。

（6）工作頻段靈活。

（7）網絡延遲時間短。

2.2 Zigbee協議分析

2.2.1 網絡層（NWK）

據我所知，ZigBee網絡層的主要功能是為了確保ZigBee的正常工作，同時也在基礎上定義了一些必要的功能和函數，并提供適當的服務接口。網絡層為Zigbee的正常工作提供了兩個必要的功能性服務實體，并且，網絡層會通過數據庫分別向應用層提供服務接口：管理服務實體和數據服務實體。為網絡層數據實體服務接入點，網絡層數據實體提供數據傳輸服務;但是網絡層管理實體卻不同，它是通過網絡層管理服務訪問點（nlme-sap）提供網絡管理服務。網絡層管理實體通過使用網絡級數據實體完成某些網絡管理，網絡信息庫通過網絡級管理實體完成。

2.2.1.1 網絡層數據實體（NLDE）

網絡層數據實體提供的服務如下三項：

（1）指定拓撲傳輸路由。

（2）網絡層的協議數據單元

（3）通信的機密性和真實性。

2.2.1.2 網絡層管理實體（NLME）

在本次研究實驗中，我們所運用的網絡層管理實體技術，充分表明了這種技術的優越性能和簡便性。這種技術不但允許加入的應用與堆棧之間連續的相互作用，并且還能為整個系統提供一個安全穩定的網絡管理服務，使這項試驗變得非常簡單快捷。我們所研究的網絡層管理實體技術為本次實驗的順利進行提供了以下的幾種服務：

（1）配置一個新的設備。

（2）初始化一個網絡。

（3）連接和斷開網絡。

（4）鄰居設備發現

（5）尋址

（6）路由發現

（7）接收控制

2.2.2 應用層（APP）

我們所使用的應用層在平常的生活中都是主要通過研究用戶所使用的喜好，根據用戶的喜好而特定的開發，并且能夠維護節點的所有功能，在該節點的工作空間中找到其他節點的工作，然后根據服務的需要為不同的節點提供通信服務。ZigBee應用層主要有三個不同的部分：應用支持子層，設備對象，制造商定義的應用對象。

2.2.2.1 應用支持子層

APS層提供這樣的接口：一組公共服務從設備對象，供應商的應用對象和應用層之間的網絡層。該服務是由兩個實體實施：APS管理實體（apsde）和APS的數據實體apsde。

（1）APSME通過APSME服務接入點（APSME-SAP）;

（2）APSDE通過APSDE服務接入點（APSDE-SAP）。

APSDE，也就是我們常說的AIB，同時這些服務包括綁定設備和安全服務。

2.2.2.2應用層框架

在ZigBee設備中為應用程序對象提供活躍環境的應用框架是ZigBee，是本次實驗研究中的主要組成部分。Zigbee在本次實驗中，我們最多可以定義240個獨立的應用程序對象，并且任何對象的端點數都是從1到240。也有終端apsde-sap，本次實驗所使用的終端通過使用兩個額外的節點：端點0號專門應用于ZDO數據接口;和255個端點號用于廣播數據的所有應用程序對象的數據接口的另一端;最后，是要保留的241-254終點時有需要擴大使用。

2.2.2.3Zigbee設備對象

Zigbee設備對象作用：

（1）初始化安全服務規范（SSS）

（2）安全管理作用。

在描述了應用程序框架的應用程序對象的網絡功能和控制裝置的應用對象的公共接口。在終端節點0，ZDO提供了一個接口與協議棧的較低層的連接。如果接收到數據時，它將訪問通過apsme-sap，如果接收到了控制信息那么將會是通過apsme-sap接入點。ZDO公共接口的各種功能如設備發現、綁定地址管理提供服務，并在ZigBee協議棧的應用框架的安全。

3?家居環境監測系統方案

在本次研究實驗中，我們所使用到的家居環境監測系統，主要是通過運用無線感器技術來實驗遠程控制、運用無線網絡技術實驗各個系統的鏈接以及哥哥系統之間的協調關系，運用計算機技術則能實驗整個系統的功能。通過綜合運用以上3中技術，得以實現本次設計的系統能夠在遠程實現對家庭環境的實時監測，因而運用這種技術，能夠間接地為人類創造一個更加健康舒適的環境，增加生活的樂趣，使生活更加豐富多彩，會打造出一個更加舒適的家居環境。

3.1系統結構

根據Zigbee技術，設計的系統結構如圖3.1所示。

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