基于ZigBee 技術的智能家居環境信息監測系統設計

朱麗敏

（廈門南洋職業學院，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著科技的進步，人們生活水平的改善以及社會對衛生、舒適家居生活的要求提高，智能家居環境監測系統的市場需求愈來愈大，概念越來越受到關注。這種系統能夠提供便捷、舒適和高效的生活環境，通過自動化和智能化設備進行能源管理，實現節能減排。在智能家居系統中，環境監測是一個重要的組成部分，通過對家居環境進行實時監測，可以讓人們了解室內空氣質量、溫度、濕度、光照等參數，為人們提供更加健康、舒適的生活環境。智能家居系統可以實現遠程控制和自動化管理，提高生活的便利性和舒適度。ZigBee 技術作為一種低功耗、高傳輸速率的無線通信技術，在智能家居環境監測系統中具有廣闊的應用前景。本文基于ZigBee無線通信技術設計了一套智能家居環境監測系統。

1 基于ZigBee 技術的智能家居環境監測系統

1.1 系統總體方案

本文所述系統主要由ZigBee 終端采集（控制）節點、ZigBee 協調器節點和上位機（監控端）組成。終端采集節點負責采集環境數據，協調器節點負責接收和轉發數據，上位機負責數據接收、數據顯示及控制信號發布。系統總體方案如圖1 所示。

圖1 智能家居環境監測系統總體方案

智能家居環境監測系統的功能模塊主要包括終端采集節點、終端控制節點、協調器節點以及上位機。終端采集節點采集家居環境的溫度、濕度、光照、空氣質量等數據，利用ZigBee 無線通信技術將數據發送給協調器節點。終端控制節點利用ZigBee 無線通信技術接收協調器節點的控制信號，控制燈、風扇燈等執行設備開和設備關。協調器節點接收終端采集節點發送的數據，通過串口傳輸給上位機。協調器還負責建立和維護ZigBee 網絡，保證數據的可靠傳輸。上位機通過串口接收數據并進行顯示和分析，還可以根據用戶需求對家居設備進行控制，如開啟風扇、調節燈光等。

1.2 核心技術簡介

1.2.1 ZigBee 技術

ZigBee 是一種短距離、低速率的無線通信技術，過去被稱為“HomeRF Lite”和“FireFly”技術，現在統一稱為ZigBee 技術[1]。ZigBee 技術能夠實現近距離無線連接，屬于無線網絡通信技術，主要特點是低功耗、低成本、高傳輸速率和可靠性，被廣泛應用于日常通信傳輸[2]。

在本系統中，ZigBee 技術主要起到兩個作用：一是建立網絡連接，ZigBee 協調器可以建立和維護ZigBee 網絡，終端采集（控制）節點通過ZigBee 網絡與協調器通信，從而建立數據傳輸的通道；二是數據傳輸，ZigBee 技術可以實現終端采集（控制）節點與協調器節點之間的數據傳輸，包括溫度、濕度、光照、空氣質量等家居環境數據。

ZigBee 技術為智能家居環境監測系統提供了一個有效的實現方式，使得對家居環境的實時監測和控制成為可能。

1.2.2 Qt 跨平臺開發環境

Qt 是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架，提供給應用程序開發者建立圖形用戶界面所需的所用功能。Qt 具有優良的跨平臺特性，提供豐富的應用程序接口（Application Programming Interface，API）。在工程項目開發中，使用Qt 進行程序開發，極大地降低了使用者的學習成本[3]。

智能家居環境監測系統設計選擇Qt 作為圖形交互開發工具，可以滿足系統的多平臺支持需求，提高系統的可移植性和實用性。Qt 工具豐富的圖形控件可以滿足人機交互需求，實現數據顯示、參數設置、控制操作等功能。Qt 具有優美的界面設計和良好的用戶體驗、強大的網絡通信功能、開放源代碼、社區支持以及可擴展性。

2 系統硬件設計

2.1 主控電路模塊

2.1.1 核心板硬件資源

CC2530 核心板[4]主要包括CC2530 單片機最小系統、晶振、天線接口以及引出的輸入輸出（Input Output，IO）擴展接口。CC2530 是ZigBee 無線通信的芯片，需要高頻、低頻兩個晶振。高頻晶振的頻率為32 MHz，低頻晶振的頻率為32.768 kHz。射頻收發電路的功能是無線發送和接收終端采集（控制）節點的數據。核心板電路如圖2 所示。

圖2 CC2530 核心模塊電路圖

2.1.2 底板硬件資源

電源電路采用5 V 電源通過直流-直流（DCDC）降壓芯片得到3.3 V 工作電壓。還可以采用1節3.7 V 鋰電池供電，方便用戶進行室外無線網絡的數據通信測試，通過外接的5 V 電源進行充電。

按鍵和LED 電路模塊用于相關狀態的輸入按鍵如復位、現場控制指令的發送等，還用于表示電路的工作狀態的指示燈，如組網狀態、網絡信號情況、數據傳輸狀態等信息。

本系統通過串口接入上位機，通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）轉串口電路實現計算機USB 接口到通用串口之間的轉換，為沒有串口的計算機提供快速的通道。

底板還包括繼電器控制電路、調試和傳感器通用接口。其中傳感器通用接口用于連接不同種類的傳感器模塊。傳感器通用接口電路如圖3 所示。

圖3 傳感器通用接口電路

2.2 信息采集節點模塊設計

2.2.1 溫濕度信息采集節點

本系統溫濕度信息采集節點采用DHT11 數字溫度傳感器。DHT11數字溫度傳感器是一種高精度、低成本、小體積的溫度傳感器，具有雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信接口和校準的數字信號輸出，采用負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻作為測溫元件，能夠測量范圍為-40 ～+85 ℃的微小溫度變化，測溫分辨率高達0.1 ℃。DHT11 還具有濕度傳感器，可以同時測量溫度和濕度。DHT11 數字溫度傳感器的使用非常方便，只需將其連接到單片機的I2C 通信接口上，即可通過單片機讀取其測量的溫度值和濕度值。DHT11 還具有數據校驗功能，能夠保證數據傳輸的準確性。DHT11 典型應用電路如圖4 所示。

圖4 DHT11 典型應用電路

2.2.2 光照度信息采集節點

本系統采用光敏電阻作為光照度信息采集節點。光敏電阻器[5]是一種對光線敏感的電阻器，其電阻值會隨著光線的變化而變化。入射光強，電阻減小；入射光弱，電阻增大。它通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成，其中光敏層由半導體材料制成。

光敏傳感器的電路原理如圖5 所示。LS 是光敏電阻，通過調節光敏電阻上方的可調電阻R1 來調節閾值。

圖5 光敏傳感器的電路原理圖

2.2.3 氣體濃度采集節點

本系統氣體濃度采集節點采用MQ-2 型氣敏傳感器[6]。MQ-2 型氣敏傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一種適合多種應用的低成本傳感器。但需要注意的是，MQ-2型氣敏傳感器在使用之前必須加熱一段時間，否則其輸出的電阻和電壓不準確。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的導電率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。

氣敏傳感器驅動電路如圖6 所示。當有煙霧發生時，引腳P2.0 是高電平，發光二極管LED1 指示燈點亮，沒有煙霧發生時為低電平，LED1燈熄滅。調節煙霧傳感器上的電位器，可以用于監測不同的氣體，設置不同的報警閾值。

圖6 氣敏傳感器驅動電路圖

2.2.4 人體信息采集節點

本系統采用HC-SR501 型人體紅外熱釋電感應模塊作為人體信息采集節點。該模塊內置了德國原裝進口的LHI778 探頭，能夠高精度地檢測人體輻射的紅外線，并將其轉化為電信號。當人體在模塊的感應范圍內活動，模塊會輸出高電平信號；當人體離開感應范圍后，模塊會自動延時，并將輸出電平變為低電平。

紅外熱釋電感應模塊接口電路如圖7 所示。該模塊電路外圍共有3 個引腳，分別是電源VCC、接地GND 和輸出引腳。其中，輸出引腳輸出的高電平為3.3 V，低電平為0 V，與單片機I/O 口直接相連。當I/O 口檢測到高電平，說明當前有人進入；檢測到低電平，則表示沒有人進入。

圖7 紅外熱釋電感應模塊接口電路圖

3 系統軟件設計

3.1 協調器節點模塊設計

協調器建立ZigBee 無線網絡后，終端節點自動加入該網絡。終端節點周期性地采集環境數據并將其發送給協調器。協調器收到數據后，通過串口將數據輸出給PC 機，同時轉發PC 機發送的數據給終端節點。協調器的工作流程如圖8 所示。

圖8 協調器工作流程圖

3.2 終端節點模塊設計

終端節點需要周期性地采集環境數據，還需要接收協調器轉發的PC 機控制命令，從而實現對相關硬件的控制操作。終端節點的工作流程如圖9 所示。

圖9 終端節點工作流程圖

4 上位機監控交互界面設計

4.1 上位機交互界面功能模塊框架

上位機交互界面通過Qt Creator 跨平臺開發環境搭建。上位機功能模塊分為兩個部分，一個是環境信息采集模塊，另一個是執行器控制模塊。軟件功能模塊設計結構如圖10 所示。

圖10 軟件功能模塊結構圖

4.2 串口通信編程

本系統包含一個ZigBee 協調器節點和若干個ZigBee 終端通信節點。ZigBee 終端通信節點和PC端之間的通信與數據傳輸都必須通過ZigBee 協調器節點中轉，而ZigBee 協調器與PC 端之間通過RS-232 接口連接進行串口數據傳輸。所以利用Qt進行ZigBee 采集控制系統功能開發需要串口通信編程實現。Qt 中沒有特定的串口控制類，一般來說，常用以下兩種方案實現[7]。一是基于Windows 系統或者Linux 系統接口編寫串口類，由于串口類是自己編程實現的，功能可以根據設計需求擴充，因此可擴展性較強，但對開發者來說，要求編程水平較高。二是利用第三方串口控制類qextserialport 類，實現在Windows 系統或者Linux 系統下的串口通信。

本系統使用第三方的qextserialport 類，實現ZigBee協調器與PC 端之間的串口數據傳輸。qextserialport 類中相關文件存在繼承關系，如圖11 所示。

圖11 qextserialport 類繼承關系圖

4.3 窗體界面設計

在界面設計中，添加5 個QComboBox 空間完成對串口通信參數的設置，2 個QPushButton 按鈕實現打開串口和關閉串口控制，多個QGroupBox 控件實現環境信息顯示，執行器控制管理。具體各項空間說明如表1 所示。

表1 項目各項控件說明表

5 系統測試

使用本系統時，可選擇聯動模式或者手動模式監測室內溫濕度、光照度等信息，系統監測界面如圖12 所示。兩種模式均可實現對溫濕度、光照度、熱紅外及煙霧的自動監測，還可以查看執行設備的執行情況。通過圖12 系統測試情況可知，在聯動模式下，當光照度低于設置值，系統會控制打開燈泡及窗簾；在手動模式下，可以通過按鍵控制執行設備。本系統可以直觀展示室內環境信息的實時情況，實現居家人員可以根據系統展示的信息控制執行設備，對室內環境進一步管理與調控。

圖12 系統監測界面

6 結語

ZigBee 技術的低功耗、低成本、高傳輸速率等優點使得本系統具有較強的實用性和市場競爭力。隨著科技的不斷進步和人們需求的不斷變化，智能家居環境監測系統需要不斷地進行升級和完善。未來發展方向包括提高系統的智能化程度、拓展更多的監測參數和應用領域以及降低系統的成本等。未來，可以在現有系統的基礎上進行優化和擴展，比如通過網關接入互聯網，數據上云平臺，以滿足更多用戶的需求。