基于zigbee技术的室内环境检测系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于zigbee技术的室内环境检测系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 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 的基本速率是，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，若网络中加入路由节点，则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、工业监控和安全系统等众多 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 6 页 领域拓展 ZigBee 的应用。 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。 网络节点则以 ZigBee 协议为基础进行通信，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)成本低。 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 2020 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成本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，而加入路由节点的 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 全世界通用，欧洲使用 868MHz，美国则使用 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达到 30ms； 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加入网络后，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 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 7 页 器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。 在 ZigBee 协议规范中，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 所示。 图 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协调器则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，而路由器则对网络进行扩展，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 ZigBee 联盟在 协议基础之上， 规定了 ZigBee 协议的网络层与应用层协议规范。 下面就网络层与应用层作简要介绍。 ZigBee 网络层的主要功能就是确保正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。 网络层提供了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。 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，再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。 ZigBee 应用层有三个不同的部分分别是：应用支持子层、 ZigBee 设备对象和制造商定义的应用对象。 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 8 页 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。 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；协调器则通过串口 进行相连通信。 本文设计的系统结构如图 所示。 图 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，降低成本。 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。 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 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 9 页 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基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，即可达到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部分。 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手机或直接报警，PC 在启动报警装置的同时，或可以自动控制开窗，以达到室内空气流通的效果，保证家庭成员的安全。 （ 4）灯光 灯光亮度的监测可以利用分布在各个房间里的光敏传感器来实现。 光敏传感器可以将感知的光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传输到 PC，经过处理和判断光线强度控制窗帘的开关或灯的开关。 当 光线过强时，可以控制窗帘自动合起，反之则可以控制其打开或电灯打开。 （ 5）电能质量 电能质量的主要指标有电压、频率和波形。 从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。 所以居民住房的电能质量检测有很大必要，本文使用电压电流互感器通过 CS5460A 芯片处理数据，由单片机能出，交流电的电压、电流、功率、频率等。 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 10 页 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）安全性：本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，若出现错误，则可导致 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。 故要求系统的安全性 （ 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。 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 11 页 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)RS485 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 [4]。 微处理器和无线通信模块采用支持 Zi gBee 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 DHT1 MQ2 型气体传感器、光照强度传感器用光敏电阻和电能质量检测用电压电流互感器和 CS5460A 芯片，电源采用交流 220V变压整流直流 5V供电。 硬件系统结构框图如图 所示。 S T C 1 2 C 5 6 0 8 A D 单 片 机整 流2 2 0 V 变 压交 流 2 2 0电 流 电 压互 感 器C S 5 4 6 A过 电压 电流 等保 护7 8 0 5R S4 8 5串 口通 讯P C 上 位 机温 度 湿 度传 感D H T 1 1烟 雾传 感 器M Q 2光敏电阻相应输出控制L C D1 2 8 * 6 4液 晶显 示 图 硬件系统结构框图 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基本参数而且 烟台南山学院毕业设计（论文） 第 12 页 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]。 如下图 5V电源电路，家电交流 220V经过变压、整流、滤波、稳压 [7]。 图 5V电源电路 STC12C5608AD 单片机 本系统采用 STC12C5620AD 系列单片机，它是 STC 生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机 [8]，是高速低功耗超抗干扰的 8051 单片机，指令代码完全 兼容传统 8051，但速度快 812 倍。 4 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 高精度转换。 共 6 个 16 位定时器，其中两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器 ,16 位定时器 T0 和 T1，。