无线通信方向的室内环境检测系统设计.docx

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无线通信方向的室内环境检测系统设计

基于ZigBee技术的室内环境检测系统设计

摘要

随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速发展，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发展的一个热点。

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，分别给出了协调器和普通节点的软件算法，在干扰环境下测试表明，网络具有较强的鲁棒性和自组能力。

本文主要介绍基于STC12C5608AD单片机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、灯光及家用电能质量的检测，其中分别用相应传感器、电流互感器、电压互感器。

其中，将温度、湿度、灯光传感器的模拟量经过单片机AD转换处理后输出相应的控制动作调节相应参数；电能质量的检测，将互感器与电能质量及单相双向功率集成电路芯片CS5460A结合检测电压、电流、功率等检测，经单片机输出相应保护控制:

瞬时过电流保护，过载保护、过电压保护、失压保护等。

本设计使用ZigBee无线网络协议，将系统参数传输及控制，也可与上位机实时通讯和监控。

关键词：

单片机，传感器，ZigBee，环境监测，继电保护

DesignofIndoorEnvironmentMonitoringSystemBasedonZigBeeTechnology

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofembeddedputing,sensor,wirelessmunicationtechnology,wirelesssensornetworkiswidelyusedinenvironmentalmonitoring,militarydefense,industrialandagriculturalcontrolfields,hasbeeahotspotinthedevelopmentofelectronicinformationtechnology.CC2530isawirelesssensornetworkchipforZigBeeTIsolution,withlowpowerconsumption,highreliability,simplenetworkingadvantages.CC2530andbasedonZigBeeprotocol,designthetemperatureandhumiditydataacquisitionsystem,thesoftwarealgorithmcoordinatorandordinarynodesaregivenrespectively,testedininterferenceenvironment,thenetworkhasstrongrobustnessandself-organizingability.

ThispapermainlyintroducesthedesignofhardwarecircuitandsoftwareflowdesignoffamilyenvironmentmonitoringsystembasedonSTC12C5608ADSCMasthecore,realizesinthehomeenvironmentoftemperature,humidity,lightingandhouseholdelectricalenergyqualitydetection,whichweretreatedwithcorrespondingsensors,currenttransformer,voltagetransformer.Amongthem,theanalogtemperature,humidity,lightsensorthroughtheSCMADconversionprocessingoutputcontrolactioncorrespondingadjustingthecorrespondingparameters;detectionofpowerquality,thetransformerandpowerqualityandsinglephasebidirectionalpowerintegratedcircuitchipCS5460Abineddetectionofvoltage,current,powerdetection,SCMoutputscorrespondingprotectioncontrol:

instantaneousovercurrentprotection,overloadprotection,over-voltageprotection,under-voltageprotectionetc..ThisdesignusesZigBeewirelessnetworkprotocol,thesystemparametersoftransmissionandcontrol,isalsoavailablewithaPCreal-timemunicationandmonitoring.

Keywords:

Microcontroller,Sensor,ZigBee,EnvironmentalMonitoring,

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发展，另外，经济的发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部分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，比如，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安全、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部分与基本环节，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，以降低成本[1]。

1.3国内外发展现状及分析

随着经济的发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部分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基础的标准，包括有：

美国的X—10CEBus、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）安装与维护成本高。

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

1.4.1ZigBee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联盟则于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加入了此联盟。

1.4.2Wi-Fi技术

Wi-Fi，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（WirelessEthernetpatibilityAlliance,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建的。

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X围较广等特点，但是其的基带协议和射频协议比较复杂，实现成本较高，而且其功耗比较大，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、低成本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，所有的蓝牙终端基本上只要在有效的X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发展，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，为我们营造一个安全健康的家居环境。

（1）ZigBee协议的介绍。

主要介绍了ZigBee协议中各个部分的组成和数据结构，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基础，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，而每个个体则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成本、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，亦可以低成本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，低成本的无线网络通信技术。

2.1ZigBee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联盟则于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加入了此联盟。

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协议则比蓝牙技术、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2.4GHz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器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。

在ZigBee协议规X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。

图2.1ZigBee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。

2.2ZigBee协议分析

ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础之上，规定了ZigBee协议的网络层与应用层协议规X。

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X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。

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；协调器则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。

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。

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X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。

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）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