基于无线传感器的智能家居系统——毕业论文

基于无线传感器的智能家居系统 中文摘要中文摘要 随着无线传感器网络的随着生活水平的日益提高，人们对环境的要求越来 越高，尤其是家庭环境。如何改善家居环境，使它更舒适，更安全是工程师目前面 临的一个大问题。在这样的背景下，智能家居是在国外几年前和一些著名的建筑师 首先提出的，他们都采用了这一理念。这种思想的核心是利用计算机技术和通信技 术来改善家居环境，使其更方便、更舒适。在我国，这种想法是最近推出的，所以 应用技术与国外相比差距。但不可否认，在我国具有很大的发展空间。目前，我们 缺少的是成熟的产品，形成一套完整的解决方案。本文主要是针对 ZigBee 系统和 应用上的环境的搭建。本文主要完成了以下工作： （1）对智能家居系统的进一步的了解。 （2）对 ZigBee 协议栈的整体架构及各层功能的了解与掌握。 （3）对一些传感器的工作原理及数据的操作的认识。 关键字：智能家居；ZigBee；cc2530；z-stack Smart home system based on wireless sensor Abstract With the living standards rising, people are increasingly demanding on the environment, especially the family environment. How to improve the Home Furnishing environment, the truth that make the environment more comfortable, more security is a big problem facing the engineer. Under such a background, the smart home is in abroad a few years ago and some famous architects first proposed, they have adopted the concept. The core of this idea is to improve the Home Furnishing environment using computer technology and communication technology, the main idea is making it more convenient, more comfortable. In our country, this idea was recently launched, so the application of the technology gap compared with foreign. But it is undeniable, it has great development space in china. At present, we are lack of mature products, forming a complete set of solutions. This paper is mainly aimed at building the ZigBee system and application environment. This paper mainly completed the following work: (1)To understand the intelligent Smart Home system. (2)To understand The overall architecture of the Z-Stack and the functions (3)To understand the working principle and the operation of some sensor data. Key Words：Smart Home；ZigBee；cc2530；z-stack 目 录 第一章 绪论1 1.1 基于智能家居系统的研究背景1 1.2 本课题发展现状与意义1 1.3 论文主要研究的内容及结构2 第二章 ZIGBEE 协议栈及网络结构3 2.1 ZIGBEE协议栈构架4 2.1.1 物理层 4 2.1.2 MAC 层5 2.1.3 网络层 NWK5 2.1.4 应用层5 2.1.5 ZIGBEE的分类及功能作用6 2.2 ZIGBEE的网络拓扑结构6 2.2.1 星形结构6 2.2.2 树形结构7 2.2.3 网状结构8 2.3 ZIGBEE的通信方式8 2.3.1 广播通讯12 2.3.2 组播通讯14 2.3.3 点播通讯15 第三章 智能家居系统设计16 3.1 智能家居系统方案设计16 3.1.1 传感器数据传输方式16 3.1.2 应用场景16 3.1.3 本次设计环境的介绍16 3.2 节点传感器的介绍16 3.2.1 DHT22 温湿度传感器16 3. 2.2 热释电人体红外传感器19 3.3 基于ZIGBEE的红外学习20 3.3.1 红外遥控介绍20 3.3.2 方案设计23 3.4 ZIGBEE的硬件绘制24 3.4.1 ZIGBEE芯片24 3.4.2 ZIGBEE2530 原理图的绘制24 3.4.3 ZIGBEE2530PCB 图的绘制25 第四章 实验测试结果27 4.1 串口上位机与ZIGBEE的通信协议27 4.1.1 DHT22 温湿度数据传输协议27 4.1.2 人体红外传输协议27 4.1.3 串口节能灯的控制27 4.1.4 红外对节能灯的控制27 4.2 传感器数据的采集27 4.2.1 ZIGBEE节点网络配置27 4.2.2 温湿度数据采集28 4.1.3 人体红外数据的采集27 4.1.4 红外控制27 4.1.2 灯控27 第四章 总结33 参考文献34 附 录36 致 谢40 天津理工大学本科毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1 智能家居系统智能家居系统的的研究背景研究背景 智能家居系统的概念最开始上个世纪 70 年代的美国传播，然后，流传到了欧洲、日本 等比较发达的国家，并且取得了很大的进步。在我们国家，智能家居这个概念相对其他国 家推广的就较晚一些了，大约在 90 年代末智能家居这个系统才慢慢的走进中国，但是智能 家居的发展速度非常的快，迄今已经有了一定数量的智能化小区和住宅。 我们常常说的的智能家居系统其实是现代的电子技术、智能化技术及电子通信技术相 结合的一个结晶。它的功能就是自动控制和管理家电设备，对生活环境进行监控，所谓的 报警系统，并且能够为住户提供安全舒服、效率高并且便利的学习、生活及工作环境。智 能家居系进行远程或者现场的监控、管理，使得住户们的家庭住宅环境舒适、协调。与一 般的家居相比，智能化的家居不仅具备传统的居住功能，提供高效便利，温馨的高品位生 活环境。 许多专家们都先后提出了不同种类的智能家居方案，比如，早期新加坡模式的智能化 家居系统包括：宽带网络接入、可使对讲、安防报警、家居控制、三表抄送、监控、智能 布线箱等。而现在的智能家居系统也在不断的完善，例如，远程报警、网上购物、紧急求 助等一些新颖的思想就是根据现在科技和社会的发展，人们日益增长的需求而设计开发的。 1.2 本课题发展现状与意义本课题发展现状与意义 发展现状： 现场或远程调节家居环境中空调的风速，温湿度，光照度，热水器的温度等，同时还 可以通过传感器节点检查空气成分，从而提高空气质量；调节音响，投影仪，游戏机电视 等娱乐设施；我们不能只注重方便快捷，更要注意能源的节省与利用，我们更应该本着同 过智能家居的平台为社会做更多的贡献的心态给住户们提供现代化的通信、信息服务。 说到发展现状，由于国外的智能家居思想要比我们的早些，那就先说说国外的发展现 状，1984 年在美国的一个城市出现了起一座意义非凡的大厦，这座大厦虽然是一座旧楼改 造的，但里面的设施确是相当智能化的，它采用了当时的的计算机系统，用它来对大楼的 照明设施，电梯空调等诸多设施进行了比较好的监控，而且还可以通过语音系统来进行通 讯，这么美好的智能系统对于住户门来说成为了一个渴望，不过随着发展很快安装智能家 居系统的用户越来越多，2000 年美国的用户就已经达到了 4 万，而且不止美国住户会使用 这个系统，其他国家也越来越多的使用，但是这样高端智能的系统在当时肯定不会便宜， 天津理工大学本科毕业设计说明书 2 所以越来越多的公司都纷纷踊跃去继续研究开发，比如当时赫赫有名的比尔盖茨，还有摩 托罗拉公司，IMB 等公司都参与其中，并且各自有了不菲的成果，“居门之所”、“家庭主 任”、“梦幻之家”都日趋占领市场。 接着来说说国内发展现状，我国的智能化建设最早其实起源于广州深圳一些比较靠海 岸的城市，之后才慢慢发展到内陆，最著名的要属上海中皇广场，这个工程后来被评为全 国“智能住宅示范工程”，从而拉开了全国社区智能化的序幕。随着科技和信息化的发展， 智能家居的思想慢慢涌入千家万户的眼里。 课题意义：根据调查数据显示，现在的基于智能家居平台推出的智能化产品种类越来 越多，也越来越完善，最后主要的是成本也越来越低，只就促进了智能家居的大众化，也 是的住户们的生活水准有了一定的提高，所以智能家居的正真意义在于让越来越多的用户 可以体验到智能家居带给生活的方便与高效，使我们的生活更健康，相信在未来，智能家 居的开发和建设是国家经济发展的一大体系。不只是通过对用户的需求来开发，更要去设 想更多的场景，这样我们的生活才会更加美好。 1.3 主要研究的内容 本篇不仅要对理论的有一定的理解，并且对实际操作有更多的要求：（1）通过对协议 栈的了解要完成 ZigBee 之间的通讯，从而达到远程监控的效果。（2）是对红外转发与学 习原理的了解，并且通过程序的调节来完成红外的学习和转发。 （3）因为还涉及到其他传感器，所以要对用到的传感器工作原理有一点的了解，并且 能使其正常工作。 （4）通过原理图和 PCB 图的绘制对 ZigBee 硬件更加深刻的了解与掌握。 最终要的是所以本次的论文需要理论和实践相结合，这样才能更好的对智能家居系统 的进一步的了解。 结构： 本篇主要是对 ZigBee 无线传输系统的介绍与应用，对周围信息的采集和处理，并发送 自己采集的数据转发给协调节点或更靠近协调节点的节点。本课题为基于 CC2530 的 ZigBee 无线网络节点的设计，用来实现实时接收上位机的控制命令和下位机的传感器数据的发送 与接收，依据各自的地址信息进行实时转发，保证整个无线网络系统运行顺利通畅。论文 总共分为 5 章内容： 第 1 章介绍了智能家居的背景以及国内外发展现状，接着对智能家居 网络技术进行了详细介绍，最后给出了本文研究的主要内容和主要创新点； 第 2 章对 Zigbee 技术及其协议进行了详细的介绍，然后对基于 Zigbee 的智能家居网络进行了研究， 介绍了 Zigbee 网络设备类型、目前三种网络拓扑结构以及 ZigBee 之间的通讯方式； 第 3 章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍以及对节点传感器的 介绍。 第 4 章主要介绍了智能家居网络系统中传感器节点与 ZigBee 协调器的通信协议。 第 5 章为智能家居网络系统的实验环境的搭建与测试结果的分析。 最后是对参考文献资料 的介绍，以及对这段时间大家的鼎力帮助的感谢。 天津理工大学本科毕业设计说明书 3 第二章 zigbee 协议栈及网络结构 2.1 zigbee 协议栈构架 Z-stack 是由现在的 TI 公司，也就是以前的挪威半导体公司在推出他的 CC2430 开发 平台的同时，推出的软件，这个协议栈软件的出现，使用户可以很容易地开发出想要的应 用程序，这个协议栈其实只需要掌握 10 个函数就能使用 ZigBee 通讯。它使用 IAR Embedded Workbench for MCS-51 作为开发环境。但是对于用户来说，其实里面还有一部分 基层的协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。 应用程序支持子层（APS） 网络层（NWK） 介质访问控制层（MAC） 应用层（APL） ZDO 应用程 序对象 Zigbee 协议 定义的 安 全 服 务 ZIGBEE 无线网 络 图 2.1zigbee 协议栈框 Fig 2.1 Z-stack Frame 物理层（PHY） 射频收发机 IEEE802.15.4 规范定义的 天津理工大学本科毕业设计说明书 4 图 2.2 TI 的协议栈 2.3.0 版本 Fig 2.2 TI Z-stack TI Z-Stack-CC2530-2.3.0 协议栈其实就是协议和用户之间的一个接口，而协议栈与 API 层之间其实没有什么联 系，也就是说他们之间是相互独立的，开发人员通过使用协议栈里的应用层来实现无线数 据收发。 2.1.1 物理层 物理层就是无线信道和 MAC 层之间的一个接口。 物理层内容： （1）激活 zigbee。 （2 对当前信道能量的检测。 （3）接入 Zigbee 信道。 （4）接收来自链路服务层质量的消息。 （5）选择信道的频率。 （6）传输和接收无线数据。 2.1.2 MAC 层 MAC 层的作用处理全部的物理无线信道访问，并且产生网络信号、同步信号；保证 MAC 天津理工大学本科毕业设计说明书 5 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发 MAC 层管理服务： MAC 层功能: （1）网络协调器产生信标； （2）与信标同步 （3）支持 PAN 链路的建立和断开 （4）为设备的安全性提供支持 2.1.2 网络层 Zigbee 协议栈的核心部分在网络层，网络层的作用在于实现节点加入或离开网络 等功能。 网络层功能 （1）网络发现 (2) 网络形成 （3）容许设备连接 (4) 路由器初始化 （5）设备网络连接 （6）直接将设备同网络连接 （7）断开网络连接 （8）重新复位设备 （9）接收机同步 （10）信息库维护 2.1.3 应用层 Zigbee 应用层框架包括应用 zigbee 设备对象（ADO）、支持层（ASP）和制造商定义 的支持层的功能包括：在绑定的设备之间传送消息和维持绑定表的信息。Zigbee 设备的功 能主要包括某个设备在组件的网络中所担任的角色，开发人员主要开发的程序部分就是这 一层。 2.1.4zigbee 的分类及功能作用 Zigbee 组成的网络中包括三种设备类型：协调器（coordinate），路由器（root），终端 节点（device）。 （1）协调器 协调器是每个独立的 Zigbee 网络中的最重要的设备，也是唯一的一个协调器设备，因 为协调器工作之一就是组建网络。在组建网络中首先要做的是信道的扫描，一般来说， zigbee 协调器默认的信道就是 11，具体的设置程序在 f8wConfig.cfg 这个文件中可以找到， f8wConfig.cfg 中还有一个跟网络组建有关的参数：ZDAPP_CONFIG_PAN_ID，这个参数是用 天津理工大学本科毕业设计说明书 6 来配置默认的网络标号，这个就想我们所说的局域网，没有连接到同一个局域网就不能进 行通信。如果这个协调器发现有着同样信道的 Zigbee 网络的存在，那么协调器会检查自己 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 所配置的 NETWORK ID 和对方的 NETWORK ID 是不是一样的。假设网络 m 已经存在，它的 NETWORK ID 为 0X1234，协调器 B 在通电之后想要组建网络 n，它和网 络 m 使用同一个信道，默认的 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 配置为 0X0004。协调器 n 在检测到网 络 m 的存在并获知 m 的 NETWORK ID 和自己默认的 NETWORK ID 一样，便会放弃 0X0004，转 而考虑 0X0005。在发现 0X0005 并未被周围的网络所占用后，协调器 n 便以 0X0005 作为自 己的网络标识，组建新的 zigbee 网络。 （2）路由器： Zigbee 中的路由器和我们生活中所见的路由器大相径庭，在 zigbee 网络中，路由器相 当于二阶路由，每个路由器有可以作为一个小的协调器，而这些小的“协调器”又可以与 一个总协调器组建成一个我们需要的网络。最终要的一点就是路由的默认 PANID 就是它最 初的 PANID，而协调器的默认 PANID 只是作为一个确认的 PANID，zigbee 协调器本身通过信 道还会产生一个 PANID，所以矛盾来了，如果路由器的 PANID 设置为 0 x04，协调器的 PANID 也设置为 0 x04,前提是路由器先上电，这样协调器的 PANID 肯定就不是 0 x04 了，而可能是 0 x05 了，所以遇到这种情况，只能是给协调器上电，再给路由上电。 （3）终端节点 终端节点设备就相当于整个网络的心脏，它会定时向路由或者协调器发送信息，被人 形象的形容为“心跳”过程。当然终端节点组网也是需要配置的，它也要去寻找自己的 “父亲”，也就是所谓的父节点，如果节点在一定的时间内没有收到父节点的回复，那么 它会自动断网，去寻找另外其他的父节点。最终要的一点是，终端节点在大部分情况下都 是出于低功耗状态。 2.2 zigbee 的网络拓扑结构 2.2.1 星形结构 星型网是由一个协调器和一个或多个终端节点组成的。就是由协调器发起并建立一个 网络，其它的终端节点必须分布在协调器的覆盖范围内，直接与协调器进行通信。由于星 型网通常用于节点数量较少的场景，所以本次实验用到的网络结构就是星形结构。具体结 构如下图 2.3 所示： 天津理工大学本科毕业设计说明书 7 zigbee 终端节点 zigbee 协调器 图 2.3 星型结构 Fig 2.3 Star structure 2.2.2 树形结构 树形结构就是由多个星形结构拓扑的集合，对于外部环境的动态变化的适应不是很好， 因为信息传送中，是由终端节点先给路由器传送，然后由路由器再传送给协调器，这种网 络结构的弊端在于其中任何一个节点的中断或者故障将会使下属的节点断开网络。具体结 构如下图 2.4 所示： zigbee 协调器 zigbee 路由器 zigbee 终端节点 图 2.4 树型结构 Fig 2.4 Tree structure 天津理工大学本科毕业设计说明书 8 2.2.3 网状结构 网状结构其实就是对树形结构的一种优化，前面的文章提到树形结构的弊端就在树形 结构的某一路由节点出现故障，他的下属节点就会脱离该网络，也就是说，他的组网路劲 是唯一的，而网状结构恰恰弥补了他的缺点，即使某条路由中断也 能通过其他比较好的路径或同等路径完成通信，这样一来同时也提高了网络的稳定性。 当然他本身的缺点也就出来了，就是增加了更多的路由信息，也造成了路由算法的复杂性。 具体结构如下图 2.5 所示： zigbee 协调器 Zigbee 路由器 Zigbee 终端节点 图 2.5 网状结构 Fig 2.5 Mesh structure 2.3 zigbee 的通信方式 说到 ZigBee 通信方式，最重要的就是发送函数和接受函数，掌握了这两个函数，那么 对于我们来说通讯就是见很轻松的事，因为这是最基础的要求。 （1）发送函数 AF_DataRequest 这个函数的作用是 Zigbee 协议栈进行数据的发送，这个函数会调用协 议栈里面其他函数最后把数据发送出去。 天津理工大学本科毕业设计说明书 9 图 2.6 发送函数 Fig 2.6 Send function 参数 1：afAddrType_t *dstAddr 这个参数包括目的 zigbee 的端点号、网络地址及数 据传送的模式，如单播、广播或多播等。 afAddrType_t 是个结构体如下： typedef struct union uint16 shortAddr; /用于标识该节点网络地址的变量 addr; afAddrMode_t addrMode; /功能在于指定数据的传送模式是单播、多播还是广 播 byte endPoint; /端点号 afAddrType_t; / 其定义在 AF.h 中 天津理工大学本科毕业设计说明书 10 在 Zigbee 中，数据包可以点对点的传送，一点对多点的传送或者广播传送，所以必 须有地址模式参数。一个 zigbee 终端接点传送数据包只发送给一个设备，多个 zigbee 终 端设备传送数据包就是传送给一组设备，而广播数据包则要发送给整个网络的所有节点。 因此上述结构体中可以设置为以下几个值， typedef enum afAddrNotPresent = AddrNotPresent, /表示通过绑定关系指定目的地址 afAddr16Bit = Addr16Bit, /单播发送 afAddrGroup = AddrGroup, /组播 afAddrBroadcast = AddrBroadcast /广播 afAddrMode_t; enum AddrNotPresent = 0, AddrGroup = 1, Addr16Bit = 2, Addr64Bit = 3, AddrBroadcast = 15 ; 注意：ZigBee 设备有两种类型的地址。一种是 64 位 IEEE 地址，也就是 MAC 地址，这 种地址是全球唯一的地址，不会又重复，在他出身时制造商就设置了，当然这个阿参数也 可以自己通过软件往里刷。另一种是 16 位的网络地址，这种网络地址是设备加入网络后由 协调器或路由器分配的。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。 参数 2：endPointDesc_t *srcEP 是发送节点的端点描述符指针，在 Zigbee 网络中， 每个节点上最多可支持 240 个端口，可以通过网络地址找到某个具体的节点，但是具体到 某个节点，还有不同的端口，不同节点的端口间可以相互通信。因此得出结论：使用端口 号区分同一节点上的端口，使用网络地址来区分不同的节点 天津理工大学本科毕业设计说明书 11 图 2.7 端点的配置 Fig 2.7 Endpoint configuration 参数 3 uint16 cID 是 ClusID 簇 ID 号，一个簇实际上都有唯一的 ID，其实就是一些 相关命令和属性的集合，也就是用来标识不同的控制操作的命令号，所以一个 Zigbee 节点 有很多属性。 参数 4 uint16 len 是送数据的长度 参数 5 uint8 *buf 是一个指向发送数据包的数据指针 参数 6 uint8 options 是发送选项，有如下选项 #defineAF_FRAGMENTED 0 x01 #defineAF_ACK_REQUEST 0 x10 /要求 APS 应答，这是应用层的应答，只在直 接发送（单播）时使用。 天津理工大学本科毕业设计说明书 12 #defineAF_DISCV_ROUTE 0 x20 /总要包含这个选项 #defineAF_EN_SECURITY 0 x40 #defineAF_SKIP_ROUTING 0 x80 /设置这个选项会导致设备跳过路由而直接发 送消息。而且终端设备也不向它的父设备发送消息。 typedef enum afStatus_SUCCESS, afStatus_FAILED = 0 x80, afStatus_MEM_FAIL, afStatus_INVALID_PARAMETER afStatus_t; （2） 接受函数 接受函数相对与发送函数较简单些，当接受到信息的时候，就会触发 SYS_EVENT_MSG 事件下的 AF_INCOMING_MSG_CMD 事件，所以只需要去处理 AF_INCOMING_MSG_CMD 就行。具体还得判断发送函数中的 clusterId ，当 clusterId 为发送函数中申明的 clusterId ，那么接受到的数据怎么处理，关键就在 afMSGCommandFormat_tcmd 这个结构体，以下是这个结构体的具体函数： Typedef strut byte TrandSeqNumber; Unint16 DataLength; Byte *Data; afMSGCommandFormat_t; 2.3.1 广播通讯 广播就是其中一个 zigbee 节点发出想要发出的数据，在这个网络中的所有节点设备都 能收的到。广播参数的配置可以在协议栈应用层函数中找到。 Sampleapp_Periodic_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addrbroadcast; Sampleapp_Periodic_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; 天津理工大学本科毕业设计说明书 13 Sampleapp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr=oxfffff; Oxffff 是广播地址。协议栈中的广播地址有三种类型; （1）0 xffff-数据包将被传送到网络中的所有设备，这里包括睡眠中的设备。对于睡 眠中的设备数据包将保留在父亲节点直到查询到它或者消息超时。 （2）0 xfffd-数据包将被传送到网络上的所有在空闲时打开接收的设备，也就是除了 睡眠中的所有设备. (3)0 xfffc-数据包发送给所有的路由器或者协调器。 首先是通信类型的说明： Typedef enum afAddrNotPresent=AddrNotPresent, afAddr16bit=Addr16bit, afAddr64bit=Addr64bit, afAddrGroup=AddrGroup, afddrBroadcast=AddrBroadcast afddrMode_t; 当 addrmode=Addr16Bit 时，对应的就是点播方式；addrmode=AddrGroup 时，对应的就 是组播方式；addrmode=Addrbroadcast 时，对应的就是广播方式； 以下是广播发送函数如下所示： 天津理工大学本科毕业设计说明书 14 2.3.2 组播通讯 组播其实就是讲网络中所有的节点设备被分组后组内相互通信的过程。组播参数的配置 如下： SampleApp_Flash_DstAddr.addrMode=(afAddrmode_t)afAddrGroup; SampleApp_Flash_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; SampleApp_Flash_DstAddr.addr.shortaddr=SAMPLEAPP_FLASH_GROUP; 以下是组播发送函数代码如下： 组播需要注意的一点是如果终端设备的接收没有一直打开，或者说是采用睡眠中断的 工作方式的话，终端设备将不参与组播，那么终端设备参与组播的方式就是将终端接收机 一直打开，具体操作程序就是将 f8config.cfg 配置文件中的- 改为- 就可以了。 2.3.3 点播通讯 点播通讯是最简单的通讯方式，就是两个 ZigBee 设备节点相互通信的过程。确定通信 对象的就是节点的 16 位短地址。以下是对点对点通信的一些配置： Point_To_Point_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)addr16Bit; 天津理工大学本科毕业设计说明书 15 Point_To_Point_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; Point_To_Point_DstAddr.addr_short=0 x00;/发送给协调器 以下是点对点通信发送程序： 天津理工大学本科毕业设计说明书 16 第三章 智能家居系统设计 3.1 智能家居系统方案设计 3.1.1 传感器节点数据传输方式 ZigBee 通信电方式是家居内部网络硬件设计中最为复杂的部分。本文中的家居内部 网络即 ZigBee 无线通信网络主要包括协调器和传感器节点，协调器和传感器节点的内部 主芯片都是 CC2530，CC2530 芯片内部包含 RF 收发器，因此协调器与传感器之间的通信 都是靠 CC2530 芯片来完成的，它们之间数据的传输都是无线的（具体协议见下文）。而 协调器与电脑上位机之间的通信是有线的，串口转 TTL 模块的引脚 TX 和引脚 2RX 分别和 CC2530 的引脚 P0_2、P0_3 连接，协调器通过串口完成与电脑上位机的数据通信。 3.1.2 应用场景 （1）一般家庭的环境中，对家里温湿度的采集，通过对室内温湿度的采集来调节室 内温湿度，这样有利于身体健康。人体红外数据的采集可以应用在家庭安防部分，启动该 部分，家里主人就可以快速的知道家里是否有人进入。当然也可以用到走廊或卫生间里， 这样有人的话灯自然就会亮起，方便简洁。万能遥控器的使用可以摆脱传统遥控器的使用， 更加方便的对家里的电器的控制。 （2）用在需要控制室内温湿度的仓库，利用温湿度传感器的采集，反馈到协调器然后 通过红外转发模块对空调的控制轻而易举的可以控制仓库已达到更快更方便的控制。 （3）以上所述只是此次设计应用场景的部分，智能家居就是将科学带进生活。让人们 真正的能体验到科学带给人们的方便与间接。 3.1.3 本次设计环境的介绍 （1）温湿度传感器节点实时的向 zigbee 协调器发送温温湿度。 （2）当有人经过人体红外传感器的感应范围是，该传感器节点会向 zigbee 协调器发 送警报信息。 （3）电脑上位机通过串口远程控制家里的灯的开关，并能返回灯的开关状态。 （4）通过红外线与协调器的配合来远程控制灯的开关与闭合。 3.2 节点传感器的介绍 3.2.1 DHT22 温湿度传感器 DHT22 传感器是一种已校准数字传感器，采用单线制串行接口，一次通讯时间为 5ms 左 右，具体参数见下图 3.1： 天津理工大学本科毕业设计说明书 17 表 3.1 DHT22 参数 Fig 3.1 DHT22 Parameter DHT22 工作电路是由一个 5K 上拉电阻和一个 DHT22 模块组成，电路图 3.2 如下所示： vcc NC 图 3.2 DHT22 电路图 Fig 3.2 DHT22 Circuit diagram 温度和适度的测量分辨率分别为 16bit（温度）、16bit（湿度） 它的校验： 湿度的低 8 位+湿度的高 8 位+温度的高 8 位+温度的低 8 位=最后 8 位=校验值 例如：00000010+10000101+00000001+01001100=10110100 湿度=64.4RH MCU DHT22 天津理工大学本科毕业设计说明书 18 温度=33.2 当温度值的最高位为 1 时说明所测当前温度低于 0。 例如：-33.2表示为 10000001+01001100.实物图如下所示： 以下是 DHT22 的程序流程图 3.3 ： 图 3.3 DHT22 程序流程图 Fig 3.3 DHT22 Circuit diagram 图 3.4 DHT22 实物图 Fig 3.4 DHT22 Physical map 天津理工大学本科毕业设计说明书 19 3.2.2 热释电人体红外线传感器 在自然界中，人体，冰块，火焰等都能发射红外线，只是发射的波长不同，人体温度 为 3637 摄氏度，红外线波长为 910nm,该传感器一般都采用差动平衡结构，由敏感元器件， 场效应管和高阻电阻组成，具体如下图 3.5 所示。 图 3.5 人体热释放传感器原理图 Fig 3.5 The release of human thermal sensor schematic 热释电红外传感器的特点就是它只在由于外界的辐射而引起它本身温度的变化，才给 出一个相应的电信