智能家居监测系统的设计毕业设计论文

石家庄铁道大学毕业设计智能家居监测系统的设计Design of The IntelligentHome Furnishing Mornitorning System毕业设计成绩单学生姓名学号班级电1002-2专业工业自动化毕业设计题目智能家居监测系统的设计指导教师姓名指导教师职称评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分辩论小组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题目关于Zigbee的智能家居监测系统的设计学生姓名学号班级专业工业自动化承当指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名导师职称一、主要内容1.了解Zigbee根本模块；2.了解ZStack协议；3.熟悉Zigbee模块的功能及在ZStack协议下的实现。二、根本要求1.了解Zigbee主要模块的功能；2.在Zigbee模块上实现ZStack协议； 3.信号采集以及对上位机进行发送。三、应收集的资料及参考文献1.Zigbee模块的相关参数；2.ZStack协议的相关内容。四、进度方案4周 收集资料，熟悉设计环境，比拟系统设计方案；5周至第8周 确定系统总体设计方案；9周至第12周 设计，优化，仿真，调试，完成设计；2周至第16周 整理论文，准备辩论。教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目智能家居监测系统的设计学生姓名学号班级电1002-2专业工业自动化一、 研究背景 现代社会，人们越来越忙碌，生活节奏越来越快，人们对于舒适生活的要求也变得越来越强烈。智能家居控制系统可以提供更好的处理方案，既快捷又省力，还能提供舒适健康的环境。Zigbee可以用来检测室内温度、湿度，进而控制空调的运行，同时它又加强了处理紧急情况了能力，增加了住户的平安感，从而提高生活质量。Zigbee的低能耗与高效率，大大满足了智能家居的要求，使用起来快捷方便，节能高效，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、平安、便利的生活有着非常重要的意义。二、 国内外研究现状自从世界上第一栋智能建筑1984在美国出现后，西方国家先后提出了各种智能家居照明方案，在这方面美国一直处于领先水平。现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居功能。于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅廉价得多。近年来，以美国微软公司以及摩托罗拉俄日收的一批国际知名企业，先后跻身于智能家居的研究与开发中，例如：微软的“梦之家、IBM的“家庭主任、摩托罗拉的“居所之门等。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。在国外大型企业研发的同时，国内厂商也已开始智能家居产品的研发与生产，尤其是一些大公司凭借自己在资金与技术方面的又是，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。比方清华同方的e.home事业部、北京的德达创先集团、伤害艾智系统等都在研发智能家居系统的相关产品。尤其是在最近几年基于Zigbee的智能家居系统开展迅速，各个公司的Zigbee产品正如雨后春笋一般迅速出产，智能家居正在逐步覆盖各个阶层。目前，国内的这些智能家居系统还处于萌芽的阶段。近些年来，在各个大公司和媒体的大力宣传下，我国的家居环境监测行业开始起步，已经有一些前瞻性很强的公司在从事此类系统的开发。另外，国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主的智能家居系统，类似的系统在家居环境的监测中均可以实现各种功能。三、主要工作及采用的方法 1采用实验方法进行方案论证，模拟Zigbee无线网络实现智能家居网络； 2.对Zigbee无线技术进行深入的研究，并通过分析Zigbee技术及智能家居的特点，去定了智能家居内部的网络拓扑，寻址方式，消息类型等特征； 3.以51单片机射频收发芯片CC5230为核心搭建了一套Zigbee网络硬件平台，并通过与Zigbee协议栈的接口实现数据传输，并对Zigbee的主要功能进行了测试； 4.总结评估设计，进行改良。四、预期到达的结果 掌握Zigbee模块的参数功能与ZStack协议，实现数据采集模块与芯片的数据 传输并向上位机发送无线数据。指导教师签字时间 年 月 日摘 要随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速开展，无线传感网被广泛应用于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域，已成为电子信息技术开展的一个热点。CC2530是TI公司针对Zigbee的无线传感网芯片解决方案，具有功耗低，可靠性高，组网简单等优势。基于CC2530和Zigbee协议，设计了温湿度数据采集系统。在干扰环境下测试说明，网络具有较强的鲁棒性和自组能力。本课题主要介绍基于CC2530为核心的家庭环境监测系统的硬件电路设计和软件流程设计，实现了在家庭环境中对温度、湿度、烟雾的监测。将温度、湿度的信息量经过单片机处理后通过无线发送给上位机。本设计使用Zigbee无线网络协议，将系统参数传输及控制，可与上位机实时通讯和监控。关键词：CC2530 传感器 Zigbee 环境监测ABSTRACTWith the rapid development of embedded computing, sensor, wireless communication technology, wireless sensor network is widely used in environmental monitoring, military defense, industrial and agricultural control fields, has become a hotspot in the development of electronic information technology. CC2530 is a wireless sensor network chip for Zigbee TI solution, with low power consumption, high reliability, simple networking advantages. CC2530 and based on Zigbee protocol, design the temperature and humidity data acquisition system, the software algorithm coordinator and ordinary nodes are given respectively, tested in interference environment, the network has strong robustness and self-organizing ability.This paper mainly introduces the design of hardware circuit and software flow design of family environment monitoring system based on CC2530 as the core, realizes in the home environment of temperature, humidity. Among them, the analog temperature, humidity, light sensor through the SCM processing output control action corresponding adjusting the corresponding parameters; SCM outputs corresponding protection control: instantaneous over current protection. This design uses Zigbee wireless network protocol, the system parameters of transmission and control, is also available with a PC real-time communication and monitoring.Key words: CC2530 Sensor Zigbee Environmental Monitoring目 录第1章 绪论11.1 本文研究背景与意义11.2 智能家居环境监测系统的特点11.3 国内外开展现状及分析21.4 典型无线网络技术介绍21.4.1 Zigbee技术21.4.2 Wi-Fi技术31.4.3 蓝牙技术31.5.1 本文主要研究内容31.5.2 本文主要研究创新点4第2章 Zigbee技术综述52.1 Zigbee技术介绍52.2 Zigbee技术的特点62.3 Zigbee网络设备组成和网络结构62.4 Zigbee协议分析72.4.1 网络层(NWK)72.4.2 应用层(APP)8第3章 家居环境监测系统方案113.1 系统结构113.2 系统功能定义123.3 系统设计要求12第4章 家居环境监测系统硬件设计144.1 系统电源电路144.2 Zigbee芯片CC2530154.3 家居环境参数采集模块154.3.1 数字温湿度传感器DHT11154.3.2 烟雾传感器MQ-2164.4 CC2530通讯174.5 LCD液晶显示模块18第5章 系统软件设计195.1 Zigbee无线通讯协议195.2 温湿度传感器程序205.3 烟雾传感器程序20第6章 系统性能测试与评述216.1 硬件测试216.2 软件测试21第7章 结论与展望227.1 结论227.2 展望22总结23参考文献24致谢25附录26附录A 外文文献26附录B 中文翻译34附录C 程序39第1章 绪论1.1 本文研究背景与意义千百年来，人类都在关注着自身的生活和居住条件，并努力改善和提高之。随着工业革命和信息技术革命的成功，进入21世纪后，人类的各种技术包括通信技术、计算机网络、控制理论、互联网等都有了很大的开展，另外，经济的开展也使我们都希望居住在一个舒适的家居环境中，只有这样我们的生活才会更好，身体才会健康。由于人们又了这种想法，由此智能家居系统也就越来越多的被人们所重视了。研究人员希望能通过这种新的技术将家居中各种智能化的设备、家用电器和家庭安防设备等整合一个智能化的系统上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备，控制这些设备来对家居中的环境参数符合人们舒适居住使用的要求，营造一个良好的环境，从而可使用户能够居住在一个更高要求的环境中。本文研究设计了一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的局部就是本文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等。同时，此系统中传感器所得到的环境参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节，比方，当测量到的光照强度高于用户设定的一定值的时候，系统就将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内的光强度，适合居住；又如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。因此，智能家居系统为用户提供了平安、舒适、便捷生活的环境，从而使环境监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键局部与根本环节，能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度有非常重要的意义。1.2 智能家居环境监测系统的特点无线环境监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：(1)多对象监测，环境监测系统需要检测多种环境信息，如：温湿度、有害气体浓度、光照强度等。这样才能为用户提供全面的环境信息参考。(2)多点监测，需要对同一环境参数在不同地点和不同时间分别进行测量，这是因为环境中各种环境信息不同的时间和空间上分布不具有均匀性，由此实现监测的全面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3)系统灵活，当有新的环境参数被要求测量时，系统的可扩展性要求灵活，方便增加节点，以降低本钱1。1.3 国内外开展现状及分析随着经济的开展和我们生活质量的提高，智能家居的智能化要求也是愈来愈高，智能家居亦成了近几年来学者们的一个研究热点。现有的智能家居产品大局部是以有线网络作为家庭的内部网络，有线网络布线麻烦，终端节点数量多而需要数量庞大的电缆，而无线通讯技术能很好的解决以上问题。国际上的家庭智能化系统已经形成集中以有线为根底的标准，包括有：美国的X-10 CEBus、欧洲的EIB、日本的HBS等。目前，国内的这些智能家居系统还处于萌芽的阶段。近些年来，在各个大公司和媒体的大力宣传下，我国的家居环境监测行业开始起步，已经有一些前瞻性很强的公司在从事此类系统的开发。另外，国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主的智能家居系统，类似的系统在家居环境的监测中均可以实现各种功能。虽然现在的各种有线技术亦能够对环境信息进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信。但当采用有线技术方案时，根据智能家居环境监测系统的特点，它存在一些缺点，如下面几项所示。(1)系统布线麻烦。采用有线技术时，对各个监测点分别进行布线将是一份复杂庞大的工作，特别是当系统监测对象的数量较多时更是如此，又容易破坏家庭之前装修的完整性；(2)安装与维护本钱高。在安装系统时，需要安装大量的线缆，家居装修建材等，特别是当用户要需要增加节点以增加系统功能时，更是要重新对其进行布线。(3)系统可扩展性差。增加或减少新的监测对象必将要求系统具有良好的软件与硬件扩展性。硬件可扩展性是有线技术方案的主要技术难点之一2。(4)移动性较差。由于有线的束缚和影响，其美观性较无线系统差，不利于家居的后续装修。1.4 典型无线网络技术介绍1.4.1 Zigbee技术Zigbee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间3。Zigbee的名字主要来源于蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。Zigbee联盟那么于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟Zigbee技术联盟，以研发名为Zigbee的新一代无线通信标准。而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦参加了此联盟。 1.4.2 Wi-Fi技术Wi-Fi是由一个名为“无线以太网相容联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA)的组织所发布的业界术语，中文翻译为“无线相容认证。Wi-Fi或802.11G在2.4Ghz频段工作，所支持的速度达54Mbps(802.11n工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，理论最高速度600Mbps)。但随着技术的进步，其速度在目前看来较慢，现逐渐退出市场主流。热点是通过将访问节点安装在互联网连接上来创立的。这个访问节点通过无线信号将信息传到互联网上，一般覆盖到200米以内。虽然Wi-Fi有覆盖范围较广等特点，但是其的基带协议和射频协议比拟复杂，实现本钱较高，而且其功耗比拟大，根本上满足不了电池供电的要求。1.4.3 蓝牙技术爱立信公司制定了初始的蓝牙技术，此技术一开始是爱立信公司在1994年的一个研究移动 和其他配件期间进行的低功耗、低本钱的无线通信连接方法的方案。1999年正式公布蓝牙1.0版，确定了使用频段，最高数据传输速度达 ，和红外技术相比，蓝牙有着较高的传输速率，而且不需要像红外线那样进行口对口的连接才能传输数据，所有的蓝牙终端根本上只要在有效的范围内使用，就随时可以进行连接收发数据。1.5 本文主要研究内容及创新1.5.1 本文主要研究内容随着我国经济和科技的迅猛开展，人们的生活水准越来提高，日常家居的环境更受到了人们的关注。近年来随着家庭装修时工业板材及其他有毒气体释放源的使用，室内的环境不容乐观。这就要求有各种有害气体监测功能的家居环境监测系统介入，为我们营造一个平安健康的家居环境。(1)Zigbee协议的介绍。主要介绍了Zigbee协议中各个局部的组成和数据结构，并对各层中的重点内容进行了详细的分析；(2)本文以无线传感网络为根底，以Zigbee技术纽带，详细设计出的家居环境监测系统中的两种节点-协调器节点(控制中心)和传感器节点。在协调器节点中，本文实现了电源、串口通信、PCB天线等主要电路的设计；而在传感器节点中，由于其与协调器类似，故仅针对不同的环境信息，设计出了不同的传感模块；(3)本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用，由此用户就可以实时的了解到家庭中个中环境信息的参数。1.5.2 本文主要研究创新点本文利用Zigbee技术，以实现无线系统的组网，可以为家居环境提供多地点、多对象的监测，由于Zigbee技术的自组网性，在增加或减少监测终端时系统灵活性较大。同时此系统还省去了繁琐的有线系统布线对家居美观性的损害。终端通过显示器及数据上传到智能家居系统可以实时显示并控制空气净化器等为家居环境，实现健康家居。第2章 Zigbee技术综述 Zigbee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据此协议的规定，Zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的一种名叫Zigbee的舞蹈，由于通过持续不断地跳这种舞蹈来实现对新发现的食物或其他信息的传递，换句话说蜜蜂是依靠这样的通信方式来实现了一个通信网络，而每个个体那么是网络中的一个节点。这样做的好处是不需要专门的通信蜜蜂，通过信息接力就完成了整个通信，从而实现了蜜蜂的低本钱、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等的信息传递方式。受蜜蜂的这种特殊的通信方式的启发，Zigbee技术的研究也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低本钱地嵌入各种设备中组成庞大的网络。总而言之Zigbee技术就是一种低功耗，低本钱的无线网络通信技术。2.1 Zigbee技术介绍Zigbee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。Zigbee的名字主要来源于蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。Zigbee联盟那么于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟Zigbee技术联盟，以研发名为“Zigbee的新一代无线通信标准，而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦参加了此联盟。截至目前，该联盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发Zigbee协议物理层和媒体控制层技术标准的 工作组。Zigbee联盟负责开发网络层及以上的协议。Zigbee协议那么比蓝牙技术、高速率个人区域网或802.11x无线局域网等技术更简单而实用。Zigbee使用的是波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下，Zigbee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。Zigbee的根本速率是，传输半径可扩大到400米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个Zigbee无线模块就可与254个节点互联，假设网络中参加路由节点，那么网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和平安系统等众多领域拓展Zigbee的应用。 Zigbee技术的特点Zigbee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点那么以Zigbee协议为根底进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面。(1)网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力；(2)本钱低。由于Zigbee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强，好多公司均已在2003年正式推出自己的Zigbee芯片，竞争较大，近年来应用于主机端的芯片本钱将会比蓝牙等模块更具价格上的优势。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是Zigbee的最大的一个优势；(4)网络容量大。每个Zigbee设备可以与另外254台节点设备相连接，而参加路由节点的Zigbee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络；(5)数据传输速率低。只有10kb/s-250kb/s，符合本设计需求；(6)工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国那么使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用；(7)网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间到达30ms；2.3 Zigbee网络设备组成和网络结构根据Zigbee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：Zigbee协调器，Zigbee路由器，Zigbee终端设备。他们的功能分别如下。(1)Zigbee协调器：它是个全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下级节点所发来的信息。(2)Zigbee路由器：它也是全功能设备在参加网络后，协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数据转发及路由之功能。(3)Zigbee终端设备：其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。在Zigbee协议标准中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构，网状结构和簇树型结构，图2-1所示。星状簇状路由器协调器终端设备网状图2-1 Zigbee网络拓扑结构图在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，在Zigbee协调器那么负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，而路由器那么对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。 Zigbee协议分析2.4.1 网络层(NWK)Zigbee网络层的主要功能就是确保Zigbee的MAC层(IEEE 802.15.4)正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的效劳接口。网络层提供了两个必须的功能效劳实体来向应用层提供效劳接口，它们分别是管理效劳实体和数据效劳实体。通过网络层数据效劳实体效劳接入点(NLDE-SAP)，网络层的数据实体(NLDE)得以提供数据传输效劳；网络层管理实体(NLME)与之不同，它是通过网络层管理实它体效劳接入点(NLME-SAP)来提供网络管理效劳的。网络层管理实体那么是利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络信息库(NIB)理是网络层管理实体完成的。2.4.1.1 网络层数据实体(NLDE)网络层数据实体为数据提供效劳，在两个或多的设备之间进行数据传送任务时，那么是按照应用协议数据单元(APDU)的格式进行传送的，并且所有的这些设备必须是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。网络层数据实体提供的效劳如下三项：(1)指定拓扑传输路由，网络层数据实体发送一个网络层的协议数据单元到一个适宜的接受设备，此设备可能是一个在通信链路中的中间通信设备，也可能是最终的目的通信设备。(2)生成网络层的协议数据单元(NPDU)：通过增加一个适当的协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。(3)平安：确保通信的机密性和真实性。 网络层管理实体(NLME)络层管理实体允许应用与堆栈相互作用，并且提供网络管理效劳。网络层管理实体提供了以下的几种效劳：(1)配置一个新的设备：设备应具有足够的堆栈来保证其正常工作的需要，并且满足配置的需要。配置选项包括对连接一个现有网络设备或一个Zigbee协调器的初始化的操作。(2)初始化一个网络：使设备有能力建立一个新的网络。(3)连接和断开网络。要求设备具有断开网络的能力和具有连接一个新的网络的能力，以建立一个Zigbee协调器或者路由器。(4)邻居设备发现：需要具有发现、汇报和记录相邻设备信息的能力。(5)寻址：Zigbee协调器和路由器具有分配地址给新参加网络的设备的能力。(6)路由发现：具有发现并且记录传送信息的网络路由的能力。(7)接收控制：具有控制设备是否处于接收状态的能力，即控制接收机接收信息时间的长短和什么时候来接收信息，以此来保证MAC层的正常接收和同步等。2.4.2 应用层(APP)应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发，用以维持节点的各种功能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据效劳的需求为各个不同的节点提供通信效劳。Zigbee应用层有三个不同的局部分别是：应用支持 (Application Support Sub1ayer，简称APS)子层、Zigbee设备对象 (Zigbee Device Object，简称ZDO)和制造商定义的应用对象。 应用支持子层APS层提供了这样的接口：在NWK层和APL层间，从设备对象到供给商的应用对象的通用效劳集。这效劳由两个实体得以实现：APS管理实体(APSDE)和APS数据实体APSDE。(1)APSME通过APSME效劳接入点(APSME-SAP)；(2)APSDE通过APSDE效劳接入点(APSDE-SAP)。APSDE提供了多种效劳给应用对象，维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB，同时这些效劳包括绑定设备和平安效劳。APSDE那么提供在同一个网络中的两个或多个应用实体间进行数据通信的效劳。 应用层框架为存在Zigbee设备中的应用对象提供活动的环境的是Zigbee中的应用框架。其最多可以定义240个较为独立的应用程序对象，任意一个对象的端点编号都是从1到240。另外还有两个附加的节点终端为了APSDE-SAP的使用：端点号0专门应用于ZDO数据接口；而另外一端的端点号255那么专门应用于所有应用对象播送数据的数据接口；最后，端点241-254那么是要保存给有需要扩展的时候使用的。 Zigbee设备对象Zigbee设备对象(ZDO)，描述了一个根本的功能函数，这个函数为在应用对象、设备profile和APS之间提供了一个接口。ZDO位于应用支持子层和应用框架之间，在Zigbee协议栈中应用操作的一般需求它有所满足。ZDO还有以下作用：(1)初始化平安效劳标准(SSS)，应用支持子层(APS)和网络层(NWK)。(2)从终端的应用中集合配置的信息来执行和确定发现、网络管理、绑定管理，以及平安管理等作用。ZDO描述了应用框架层的应用对象的网络功能和应用对象的公用接口用以控制设备。在终端节点0处，ZDO那么提供了与协议栈中低一层进行连接的接口，假设接受的是数据，那么通过APSME-SAP接入点，而假设是控制信息那么通过APSME-SAP的接入点。ZDO公用接口那么在Zigbee协议栈的应用框架中提供设备发现、绑定、以及平安等各种功能的地址管理效劳。Zigbee设备对象的主要功能如下：(1)初始化网络层、应用支持子层和平安效劳层；(2)发起或响应绑定请求；(3)在网络内部发现设备，并且确定为此发现的设备提供的应用效劳种类；(4)定义设备在网络中的各种角色，如，终端设备、路由器或协调器；(5)从终端的应用来收集各个配置信息来确定和执行发现管理、网络管理、平安管理和绑定管理等；(6)在网内各个设备之间建立起平安又可靠的关系。第3章 家居环境监测系统方案本文的家居环境监测系统，通过对传感器技术、无线网络技术和计算机等技术的综合运用，得以实现对家庭环境的实时监测，从而间接地为用户创造一个健康的，适宜居的，舒适的家居环境。3.1 系统结构本论文是基于Zigbee技术的无线传感器网络环境监测系统，故根据Zigbee技术的标准和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和PC组成的该系统。其中，传感器节点通过无线技 术与协调器进行信息的交换；协调器那么通过串口 进行相连通信。本文设计的系统结构如图3-1所示。上位机LCDCC2530温湿度传感器烟雾传感器图3-1 系统结构图本系统中传感器节点主要负责的是环境信息的采集与发送，协调器节点主要负责的是网络的建立、终端节点管理、数据处理和对PC端的数据通信。当然在实践过程中可以根据家庭居住环境的大小和所需监测的内容，来增加或减少传感器节点，而只需做小许改动即可4。当监测区域较大时，可用增加传感器节点的方法来保证网络的连通性，相反区域较小时可以根据情况减少路由器节点的设置以节省系统资源，降低本钱。在本设计的实践环节，本人只象征性的做了一个传感器节点进行试验演示。3.2 系统功能定义本文设计的环境监测系统主要检测家庭环境中以下一些环境参数以实现对环境信息的全面监测，从而为用户的准确决策提供参考。下面对各种参数进行如下介绍。(1)温度湿度人体对温度的变化甚为敏感，在环境温度高于35摄氏度后，每增加一度对人体的负面影响都是几何级的增加，故此系统中最重要亦是最根本的就是环境中温度的采集。温度传感器可以在用户设定的频率下采集区域的温度信息，并将其发送到协调器节点进行处理，再由协调器将处理结果数据通过串口发送到PC，此时，PC可按之前用户设置好的参数和程序对空调系统进行控制，从而实现对室内温度的控制，当然这些是后续控制，不在本文讨论范围内。家庭中的每个房间可以多放几个这样的类似节点，可实现在同一个房间进行多点的温度信息采集，以提高温度测量的准确度。(2)湿度人类对湿度虽然不是特别敏感，但其时时刻刻亦影响着人们的健康，尤其是老年与儿童。目前人们经常是通过普通的加湿器来调节室内湿度，此类加湿器一般只是手动操作，这样就存在着人为的主观不确定性，最终也有可能不利于环境之改善。而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息的采集，再经由PC的处理后，对加湿器进行控制，即可到达科学明了地控制室内的湿度。(3)烟雾燃气的主要造成烟雾源，当燃气发生泄漏时，就会对家庭人员生命带来威胁。故对一氧化碳气体浓度监测也是必不可少的一局部。当系统检测到烟雾浓度大于用户设定是初值时，PC会立即发送报警信号到报警装置或者是家庭成员的 或直接报警，PC在启动报警装置的同时，或可以自动控制开窗，以到达室内空气流通的效果，保证家庭成员的平安。3.3 系统设计要求本系统是在家庭环境中实现各种功能，根据此特点，可以总结出以下几种要求。分别从软硬件两个方面来得以实现。(1)低功耗：由于是无线传感网络，节点很多，故只能由电池供电，故要求低功耗以延长使用，减少电池更换次数。(2)平安性：本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，假设出现错误，那么可导致PC判断错误，导致错误控制。如：未发生一氧化碳泄露即报警等。故要求系统的平安性(3)外观：由于要安装在家庭各个地点，故要求其尽量小巧，美观。(4)可扩展：能根据用户的不同需求，随时增加或减少节点设置5。软件方面要求程序模块化设计，可以使系统升级方便以备增加节点时修改其中一个模块而其他地方无需改动；程序设计要简单，数据传输格式要统一。第4章 家居环境监测系统硬件设计在Zigbee传感器网络中，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，在采集、接收、处理及发送数据进的同时，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成一些特定任务。根据系统的需要，传感器节点应具备以下功能。(1)传感器信号的采集和处理；(2)无线数据的发送或转发；(3)液晶显示和键盘输入；(4)通讯功能。无线传感器网络的节点通常由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块构成,CC2530集成了这些功能。微处理器和无线通信模块采用支持Zigbee协议，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器DHT11、MQ-2型气体传感器，电源采用5V电池供电。硬件系统结构框图如图4-1所示。温度传感器DHT11烟雾传感器5V电源LCD 128*64 CC2530上位机图4-1 硬件系统结构框图4.1 系统电源电路电源管理是对电源电压调节和分配，为其他各模块提供可靠和正常工作的电压。电源模块相当于房屋的基石，所以高性能的电源管理模块对于整个控制系统稳定运行实至关重要的。电源模块为控制单元、传感器、控制输出(电机、继电器)等模块提供可靠且不同的工作压。在设计过程中，不仅要考虑电压和电流大小等根本参数而且要考虑电源使用效率、降低噪声、复杂程度和干扰等方面优化6。电源供电电路如图4-2所示。图4-2 5V电源电路图 Zigbee芯片CC2530CC2530是用于2.4-GHz 、Zigbee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料本钱建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530最小系统的设计包括的外围模块有：复位电路，振荡电路10。最小系统电路图如4-3下列图所示。4.3 家居环境参数采集模块4.3.1 数字温湿度传感器DHT11DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接11。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最正确选那么。连接方便，数字温湿度传感器电路图4-4如下所示。图4-3 CC2530最小系统的电路图图4-4 数字温湿度传感器电路图 烟雾传感器MQ-2本次设计的烟雾传感器用MQ-2。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号11。该传感器需要施加二个电压：加热器电压(VH)和测试电压(VC)。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 那么是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(VRL)。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路VCC。为更好利用传感器的性能，需要调节可调电阻Rp恰当的RL值。其烟雾传感器电路如图4-5所示。当检测到烟雾控制器输出报警，蜂鸣器报警电路如图4-6所示。 图4-5 烟雾传感器电路图图4-6 报警电路图 CC2530通讯CC2530具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块，强大地址识别和数据包处理引擎， 能够很好的匹配RF前端，封装更小，支持Zigbee 2007/PRO 和Zigbee RF4CE。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。Zigbee技术是一种双向性无线短距离通信技术，具有通信距离短、能耗低、复杂度低、数据传输速率低、制作本钱低等诸多特点。虽然点对点之间的通信只有10-75m的范围。但是zigbee可以通过组网,以多跳的方式来实现远距离的通信。 LCD液晶显示模块带中文字库的128*64是一种具有4位/8位并行、2或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864，可以显示84行16x16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不管硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。液晶屏的各引脚说明如下表4-1所示。液晶显示接线如下列图4-10所示。表4-1 液晶屏的各引脚说明表管脚号管脚名称电平管脚功能描述1GND0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-比照度(亮度)调整4D/IH/LD/I =“H,表示DB7-DB0为显示数据D/I =“L,表示DB7-DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H,E=“H,数据被读到DB7-DB0R/W=“L,E=“H/L, DB7-DB0的数据被写6EH/L使能信号7-14D0-D7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式 16NC-空脚17RETH/L复位端，低电平有效 18NC-LCD驱动电压输出端19LED1VDD背光源正端(+5V) 20LED2VSS背光源负端 图4-10 液晶显示接线图第5章 系统软件设计 Zigbee无线通讯协议终端节点的软件主要实现以下功能：(1)数据采集功能：采集各个传感器的输出信号并进行数据分析存储。(2)数据显示功能：能够在LCD上将采集处理后的传感器数据实时显示。每个不同类型的传感器构成一个单独的节点，液晶显示当前环境下温度()、湿度(RH)和烟雾强弱。(3)数据传输功能：采用标准的MODBUS协议通过上位机修改系统参数。(4)与无线模块通讯：单片机将要发送的数据以特定的波特率通过串口送到无线模块发送12。Zigbee无线通讯协议程序流程图如图5-1所示。N有待处理事件？有节点参加网络？初始化硬件初始化软件配置建立网络给节点分配地址处理事件YYN开始 图5-1 Zigbee无线通讯协议程序流程5.2 温湿度传感器程序温湿度传感器的详细测量方法已在4.3.1已经介绍了，在这里给出温湿度传感器采集信号的程序见附录。5.3 烟雾传感器程序本论文中，对于烟雾传感器主要解决的问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，浓度强弱显示。因为MQ-2型烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。其主程序流程图如5-2所示。程序初始化传感器预热键盘扫描与键值处理A/D转换平均值法滤波线性化处理进入警报处理程序浓度强弱显示设置指示灯状态Y是否超过报警开始N图5-2 烟雾传感器流程图第6章 系统性能测试与评述6.1 硬件测试电路板焊接完毕后，找出硬件整体上的错误，如接口松动、接触不良，电源不稳定等。(1)稳定性测试：长时间运行系统检查电源电压，液晶显示，传感器，无线模块等。经测试系统各电源运行正常，电压均在正常值范围之内；液晶显示正常清晰无闪屏；传感器工作正常，采样的数据正确；无线模块无死机现象。(2)硬件平安性：检查各类接口，保证电路不出现短路等问题。长时间运行程序并检查芯片工作情况与工作状态(温度、电压等)。经测试系统各接口运行正常13。 软件测试(1)传感器采样程序测试，以1s或2s间隔频率采集各个传感器，连续采集24小时以上，观察LCD显示是否有异常数据出现。测试结果：采样正常，数据可靠。(2)单片机与无线模块通讯测试：单片机每采样到一次传感器信号，处理后及时将数据发送到无线模块，通过观察电路板上的通讯指示灯观察无线模块是否接收到数据。测试结果：无线模块接收正常。(3)人界操作界面程序测试：屡次重复操作按键菜单，设置各个系统参数，查看程序是否跑死，分析是否有bug。测试结果：程序运行无错误，无死机现象。(4)上位机通讯程序测试：以1s间隔频率发送命令(24小时以上)，查看系统是否能及时返回数据，返回数据是否正确。设置各个波特率，查看通讯是否正常。测试结果：通讯正常。调试接口如图6-1所示。图6-1 Zigbee调试接口第7章 结论与展望7.1 结论随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断开展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的平安性的要求越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出，无线的优势也越来越明显。其中Zigbee短程无线网技术以其数据传输平安可靠、组网简易灵活、设备本钱低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的开展潜力2。本论文以Zigbee无线通信技术为根底，设计了无线家居环境监测系统，给出了总体的设计方案，同时还给出了硬件、软件及上位机软件的设计。所得到的系统易用、可扩展，根本到达了设计要求。7.2 展望在本次设计中，尽管到达了设计的要求，但系统比拟简单，可移植性差，在外部环境复杂的实际生活中实用性不大。另外，本系统还有许多可改良的地方，比方说功耗方面，可以在电源管理程序和无线发射程序方面改良，以到达更节省能源的效果；本系统中使用的是串口将信息发送到管理中心，以后还可以通过无线发送到 客户端，以便人们无论在何处都能实时了解到环境的变化。还有报警方面做得还不够完善，有待提高。总结Zigbee无线传感器网络是基于Zigbee协议的无线传感器网络，是Zigbee协议与传感技术的结合，是应用性非常强的技术，它具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合于对布线困难、人员不能到达的区域和一些临时场合的状况进行远程监控，如大型建筑的健康状态监控、空间探索、灾害预测等，它在当前我国环境监测系统中有着巨大的应用潜力的。目前市场上的近距离无线通信技术有很多种，如无线局域网WiFi、蓝牙、IrDA、UWB、RF等。经过市场调研，发现Zigbee无线通信技术在在无线传感网络中占有广泛的市场，具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性强、平安性高、本钱低等特点。本设计采用了Zigbee技术实现无线网络的搭建。经过反复的测试，我们研制的无线网络节点通信平台已经可以稳定的运行，并且有较好的可靠性和扩展性。本次设计主要涉及到硬件设计和Zigbee协议编程两方面的内容。通过该设计，使得自己在学业上受益匪浅，它不仅要求我灵活应用以前所学的知识，也要求自己在工作中不断学习和接受新知识，极大的锻炼了自己独立研发的能力，为今后的工作开创了新的前景。参考文献1 叶朝辉,杨士元.智能家居网络研究综述J.计算机应用研究,2000.2 徐君丽,刘冀伟,王志良.基于无线网络的智能监控系统设计与实现M.微计算机信息,2005.3 高守玮,吴灿阳.Zigbee技术实践教程M.北京航空航天大学出版社,2021.4 张亮.基于Zigbee技术的智能家居环境监测系统D.武汉科技大学,20215 Jane K,Hart,Kirk Martinez.Environmental Sensor Networks：A revolution in the earth system science7.EarthScience Reviews,2006.6 杨拴科.模拟电子技术根底J.高等教育出版社,2021.7 李元庆.电路根底M.华南理工大学出版社,2007 8 蒋延彪.单片机原理及应用M.重庆大学出版社,2003 9 胡汉才.单片机原理及系统设计M.清华大学出版社,2002.10 王贤勇.赵传申.单片机原理与接口技术M.清华大学出版社