基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 峰，張志森，文 枰

（四川文理學(xué)院 a.國(guó)有資產(chǎn)管理處，b.智能制造學(xué)院；四川 達(dá)州 635000）

基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 峰a，張志森a，文 枰b

（四川文理學(xué)院 a.國(guó)有資產(chǎn)管理處，b.智能制造學(xué)院；四川 達(dá)州 635000）

隨著人們的生活水平不斷提高，對(duì)家居智能化和安全性等要求越來(lái)越高。介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和PC端管理中心三個(gè)部分。首先說(shuō)明了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案；然后分別完成了系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程和管理界面的設(shè)計(jì)；最后對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，溫度檢測(cè)的相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，濕度檢測(cè)的相對(duì)誤差在0．5%以內(nèi)，CO檢測(cè)的相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

ZigBee技術(shù)；智能家居；溫度檢測(cè)；濕度檢測(cè)；CO濃度檢測(cè)

0 引言

室內(nèi)溫度、濕度以及有毒、有害氣體如甲醛、一氧化碳等因素對(duì)人的情緒和身體健康影響非常大[1-3]。隨著生活水平不斷提升，人們對(duì)家居環(huán)境的智能化監(jiān)控、舒適度提升以及安全性保障等方面的追求也越來(lái)越高。如何在技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化做出快速反應(yīng)，從而保障家居環(huán)境的舒適性、安全性，具有重要意義。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的智能化監(jiān)控，就必須在家庭內(nèi)部建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。目前，建立通信網(wǎng)絡(luò)的方式有2種：一是有線通信，二是無(wú)線通信[4-5]。前者存在著布線困難、影響美觀等問(wèn)題。無(wú)線通信方式組網(wǎng)就不存在這些問(wèn)題。對(duì)于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，信號(hào)傳輸距離較短，特別適合使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)以及ZigBee技術(shù)等[6-9]。與其它傳輸網(wǎng)絡(luò)相比，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有成本小、功耗低、多終端連接等優(yōu)點(diǎn)。

本文探討一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家居環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10-12]。通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度和CO濃度實(shí)時(shí)采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)串口線將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端管理中心：一方面，用戶可在管理中心界面看到室內(nèi)環(huán)境的詳細(xì)信息；另一方面，當(dāng)有火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，通知用戶進(jìn)行安全排查及處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和PC端管理中心等模塊。數(shù)據(jù)采集由傳感器和執(zhí)行部件來(lái)完成。采用ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的星型網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[13]。

采用溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，并執(zhí)行協(xié)調(diào)器的命令。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：一方面，如果溫度或者一氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定的上限，則將相應(yīng)的標(biāo)志位置1，否則置0；另一方面，也根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標(biāo)志位來(lái)綜合判斷是否發(fā)生火災(zāi)：當(dāng)溫度和CO濃度的標(biāo)志位中只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)I；當(dāng)二者的標(biāo)志位均為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)II。同時(shí)，協(xié)調(diào)器也將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，再通過(guò)人機(jī)交互界面將室內(nèi)的濕度、溫度和一氧化碳濃度等信息顯示出來(lái)，方便人們實(shí)時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境的情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器。該傳感器芯片內(nèi)部包含一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，可以輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。溫濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，在SCK引腳上的串行時(shí)鐘控制下，數(shù)據(jù)通過(guò)DATA引腳送入CC2530中，再由CPU根據(jù)修正公式將溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。溫濕度傳感器SHT10通過(guò)P0.5和P0.6與CC2530相連。圖1為SHT10電路連接原理圖。

CO傳感器采用的是TGS2442，它是一種電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，具有功耗小、成本低、靈敏度高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。TGS2442的驅(qū)動(dòng)電路分為加熱回路和測(cè)試回路2部分，加熱回路的電壓VH加在加熱層的2個(gè)電極之間，測(cè)試回路的電壓VC加在敏感層的兩極及與之串聯(lián)的電阻2端。圖2為其內(nèi)部電路原理圖。

圖1 SHT10電路連接原理圖

圖2 CO傳感器電路原理圖

當(dāng)傳感器檢測(cè)到CO氣體時(shí)，其內(nèi)部的電阻RS的阻值會(huì)發(fā)生變化：CO濃度越大，RS阻值越小。由電路原理圖可知，通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出電壓就能測(cè)出CO的濃度。CO傳感器與終端節(jié)點(diǎn)的連接原理如圖3所示。

圖3 CO傳感器電路連接原理圖

2.2 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)通信的責(zé)任。ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)。CC2530分為3個(gè)端口，共21個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，其中P2.3和P2.4用于和32KHz晶振的連接，其他引腳均可外接傳感器信號(hào)。

設(shè)計(jì)分別用芯片的P0.5、P0.6、P0.7與溫濕度傳感器、CO傳感器的信號(hào)輸出端連接。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

由于終端節(jié)點(diǎn)分布較為分散，考慮到芯片參數(shù)指標(biāo)、底板功能的實(shí)際情況及安裝的便捷性，終端節(jié)點(diǎn)采用正3 V干電池供電。終端節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)通過(guò)USB接口相連為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)提供正5 V直流電，同時(shí)也通過(guò)這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的模塊的結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)模塊示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以TI公司提供的Z_Stack模板為基礎(chǔ)，在用戶任務(wù)函數(shù)處添加需要實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行流程是：首先，終端節(jié)點(diǎn)對(duì)外部傳感器的狀態(tài)進(jìn)行掃描；然后，根據(jù)掃描結(jié)果判斷是否要執(zhí)行命令，并將獲得的數(shù)據(jù)以點(diǎn)播形式傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；最后，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，經(jīng)過(guò)5 s后再進(jìn)行傳感器狀態(tài)掃描。按照這種模式不斷循環(huán)周期執(zhí)行，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以廣播的形式向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。終端首先根據(jù)信息的地址進(jìn)行判斷：若信息是傳輸給自己的，則根據(jù)信息內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，否則，就將收到的信息丟棄。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包括傳感器采集的數(shù)據(jù)和自身的編號(hào)，協(xié)調(diào)器根據(jù)編號(hào)來(lái)鑒別接收的是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以及發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)的類型，以便于后期對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。我們用T代表溫度，W代表濕度，CO代表一氧化碳。如1T25，表示1號(hào)節(jié)點(diǎn)采集的溫度為25℃。

為防止惡意攻擊或者其他用戶的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的誤接入，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用固定PANID和AES方式加密。AES加密密匙有128位、192位和256位三種長(zhǎng)度。對(duì)于智能家居控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用128位加密就完全可以滿足要求。ZigBee節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 PC端管理中心設(shè)計(jì)

PC端管理中心是采用Labview編寫的人機(jī)交互界面。Labview軟件采用框圖式的編程，編程靈活、簡(jiǎn)便、可移植性強(qiáng)。編寫好的界面不僅可以打包安裝到?jīng)]有安裝LabView軟件的計(jì)算機(jī)上使用，而且還可以發(fā)布到Web網(wǎng)頁(yè)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖6 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理界面

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)管理界面如圖6所示。界面上實(shí)時(shí)顯示每一個(gè)房間的溫度、濕度和CO濃度信息。當(dāng)某一參數(shù)偏離正常范圍或者通過(guò)判斷發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，相應(yīng)的狀態(tài)指示燈就閃亮。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)使用了6個(gè)ZigBee模塊組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放在客廳，5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別放置在5個(gè)不同的房間。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試主要是針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間通信傳輸可靠性的測(cè)試。在試驗(yàn)中，通過(guò)串口調(diào)試助手，分別對(duì)5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。終端節(jié)點(diǎn)每隔5 s就發(fā)送一次數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別采集記錄1 000組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸可靠性測(cè)試

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分別接收到5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)次數(shù)都為1 000次，傳輸成功率都達(dá)到100%，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4.2 系統(tǒng)功耗測(cè)試

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)五號(hào)干電池供電，供電電壓為+3 V。表2是功耗測(cè)試結(jié)果。

表2 功耗測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)量可以計(jì)算得出：兩節(jié)五號(hào)干電池正常工作時(shí)間可以達(dá)到6～7個(gè)月，最大化地滿足了系統(tǒng)低功耗性能的需求。

4.3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

試驗(yàn)用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)室內(nèi)的溫度和濕度，然后與ZOGLAB的便攜式溫濕度儀DSR-THEXT檢測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 溫濕度檢測(cè)結(jié)果

由表3可見(jiàn)，測(cè)試溫度的相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，濕度的相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)。

在房間內(nèi)燃燒泡沫，然后利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的CO濃度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)用安帕爾AP-G一氧化碳檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果作對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 co體積分?jǐn)?shù)濃度檢測(cè)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，隨著CO濃度的增加，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差也在逐漸減小，總體相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文釋試了一套基于ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。然后用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分別進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試和數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蕿?00%；溫度檢測(cè)的相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，濕度檢測(cè)的相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)，Co檢測(cè)的相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

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The Home Environment Monitoring System Design Based on ZigBee

YANG Fenga,ZHANG Zhi-sena,WEN Pingb
(a.NationalAsset Management Office;b.School of Intelligent Manufacturing,Sichuan University ofArts and Science,Dazhou,Sichuan 653000,China)

As the living standards continue to improve,smarter and safer house environment are highly required. This paper introduces a kind of house environment monitoring system based on ZigBee network.The system consists of three parts:sensor module,wireless data transmission module and PC management center.Firstly,the design scheme of the system is completed;then,the hardware circuit design,software programming and the human-machine interface design are carried out respectively;finally,the system was tested by experiments.The experimental results show that the system performs robustly while the relative error of temperature,humidity and carbon monoxide is within 1%,0.5%and 3%respectively.

ZigBee technology;smart home;temperature measurement;humidity measurement;CO concentration detection

TN929.5；TP274

A

1673-1891（2016）04-0025-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.04.007

2016-09-14

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目資助（15ZA0318）。

楊峰(1986—）男，四川通江人，助教，碩士，主要研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)及其應(yīng)用。