基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境檢測演示系統(tǒng)

1、*實踐教學*蘭州理工大學計算機與通信學院2014年春季學期物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實踐課程設計題 目：基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境檢測演示系統(tǒng) 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 成 績： 摘 要隨著嵌入式計算、傳感器、無線通信等技術的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、軍事國防和工農(nóng)業(yè)控制等諸多領域，已成為電子信息技術發(fā)展的一個熱點。CC2430是TI公司針對ZigBee的無線傳感網(wǎng)芯片解決方案，具有功耗低，可靠性高，組網(wǎng)簡單等優(yōu)勢?；贑C2430和ZigBee協(xié)議，設計了溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別給出了協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點的軟件算法，在干擾環(huán)境下測試表明，網(wǎng)絡具有較強的魯棒性和自組能力。本文主要介

2、紹基于STC12C5608AD單片機為核心的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件流程設計，實現(xiàn)了在家庭環(huán)境中對溫度、濕度、燈光及家用電能質(zhì)量的檢測，其中分別用相應傳感器、電流互感器、電壓互感器。其中，將溫度、濕度、燈光傳感器的模擬量經(jīng)過單片機AD轉(zhuǎn)換處理后輸出相應的控制動作調(diào)節(jié)相應參數(shù)；電能質(zhì)量的檢測，將互感器與電能質(zhì)量及單相雙向功率集成電路芯片CS5460A結合檢測電壓、電流、功率等檢測，經(jīng)單片機輸出相應保護控制:瞬時過電流保護，過載保護、過電壓保護、失壓保護等。本設計使用ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議，將系統(tǒng)參數(shù)傳輸及控制，也可與上位機實時通訊和監(jiān)控。關鍵詞：單片機，傳感器，ZigBee，環(huán)境監(jiān)

3、測，繼電保護 目 錄第1章 緒 論11.1 本文研究背景與意義11.2 智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點11.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及分析21.4 典型無線網(wǎng)絡技術介紹31.4.1 ZigBee技術31.4.2 Wi-Fi技術31.4.3藍牙技術31.5 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新41.5.1本文主要研究內(nèi)容41.5.2本文主要研究創(chuàng)新點4第2章 ZigBee技術綜述52.1 ZigBee技術介紹52.2 ZigBee協(xié)議分析7第3章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案83.1 系統(tǒng)結構83.2 系統(tǒng)功能定義83.3 系統(tǒng)設計要求10第4章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計114.1 系統(tǒng)電源電路114.2 STC12C5608

4、AD單片機124.3 家居環(huán)境參數(shù)采集模塊134.3.1 數(shù)字溫濕度傳感器DHT11134.3.2 煙霧傳感器MQ-2144.3.3 光照強度傳感器144.3.4 電壓電流檢測及保護154.4 RS485通訊模塊164.5 LCD液晶顯示模塊17第5章 系統(tǒng)軟件設計185.1 ZigBee無線通訊協(xié)議185.2 溫濕度傳感器程序185.3 煙霧傳感器程序195.4 電壓電流檢測及程序20第6章 系統(tǒng)性能測試與評述216.1 硬件測試216.2 軟件測試21總 結22致 謝23參考文獻24附 錄25附件A 系統(tǒng)原理圖25第1章 緒 論1.1 本文研究背景與意義隨著工業(yè)革命和信息技術革命的成功，進

5、入21世紀后，人類的各種技術包括通信技術、計算機網(wǎng)絡、控制理論、互聯(lián)網(wǎng)等都有了很大的發(fā)展，另外，經(jīng)濟的發(fā)展也使我們都希望居住在一個舒適的家居環(huán)境中，只有這樣我們的生活才會更好，身體才會健康。由于人們又了這種想法，由此智能家居系統(tǒng)也就越來越多的被人們所重視了。研究人員希望能通過這種新的技術將家居中各種智能化的設備、家用電器和家庭安防設備等整合一個智能化的系統(tǒng)上進行資源共享、分析、控制和管理這些設備，控制這些設備來對家居中的環(huán)境參數(shù)符合人們舒適居住使用的要求，營造一個良好的環(huán)境，從而可使用戶能夠居住在一個更高要求的環(huán)境中。本文研究設計了一種智能家居環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測，實時為用

6、戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。智能家居系統(tǒng)中一個非常重要的部分就是本文所研究的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，人們可以獲得實時的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災信息等。同時，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其它家居設備做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)對家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當測量到的光照強度高于用戶設定的一定值的時候，系統(tǒng)就將啟動自動窗簾系統(tǒng)的馬達，自動將窗簾關到一定程度，以降低室內(nèi)的光強度，適合居?。挥秩?，當溫度值偏低時，系統(tǒng)就將啟動空調(diào)設備進行工作，來增高室內(nèi)溫度。因此，智能家居系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)成為了智能

7、家居系統(tǒng)的一個非常重要關鍵部分與基本環(huán)節(jié)，能否擁有一個好的智能家居系統(tǒng)的關鍵在于能否設計出好環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，這對改善人們生活環(huán)境的舒適度有非常重要的意義。1.2 智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)擁有全面、可靠的環(huán)境信息采集分析能力。為了實現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)測的精確性、全面性并且方便使用，本文的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應具有以下各種特點：(1)多對象監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要檢測多種環(huán)境信息，如：溫濕度、有害氣體濃度、光照強度等。這樣才能為用戶提供全面的環(huán)境信息參考。(2)多點監(jiān)測，需要對同一環(huán)境參數(shù)在不同地點和不同時間分別進行測量，這是因為環(huán)境中各種環(huán)境信息不同的時間和空間上分布不具有均勻性，由此實現(xiàn)監(jiān)測

8、的全面性和高精度性，甚至有時需要對同一環(huán)境參數(shù)在多點進行測量。(3)系統(tǒng)靈活，當有新的環(huán)境參數(shù)被要求測量時，系統(tǒng)的可擴展性要求靈活，方便增加節(jié)點，以降低成本1。1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及分析隨著經(jīng)濟的發(fā)展和我們生活質(zhì)量的提高，智能家居的智能化要求也是愈來愈高，智能家居亦成了近幾年來學者們的一個研究熱點?，F(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品大部分是以有線網(wǎng)絡作為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡，有線網(wǎng)絡布線麻煩，終端節(jié)點數(shù)量多而需要數(shù)量龐大的電纜，而無線通訊技術能很好的解決以上問題。國際上的家庭智能化系統(tǒng)已經(jīng)形成集中以有線為基礎的標準，包括有：美國的X10 CEBus、歐洲的EIB、日本的HBS等。目前，國內(nèi)的這些智能家居系統(tǒng)還處于

9、萌芽的階段。近些年來，在各個大公司和媒體的大力宣傳下，我國的家居環(huán)境監(jiān)測行業(yè)開始起步，已經(jīng)有一些前瞻性很強的公司在從事此類系統(tǒng)的開發(fā)。另外，國內(nèi)亦有些電器廠家也在市場上推出了自主的智能家居系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)在家居環(huán)境的監(jiān)測中均可以實現(xiàn)各種功能。雖然現(xiàn)在的各種有線技術亦能夠?qū)Νh(huán)境信息進行監(jiān)測與處理，讓各種監(jiān)測設備之間進行連接通信。但當采用有線技術方案時，根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點，它存在一些缺點，如下面幾項所示。(1)系統(tǒng)布線麻煩。采用有線技術時，對各個監(jiān)測點分別進行布線將是一份復雜龐大的工作，特別是當系統(tǒng)監(jiān)測對象的數(shù)量較多時更是如此，又容易破壞家庭之前裝修的完整性；(2)安裝與維護成本高。在

10、安裝系統(tǒng)時，需要安裝大量的線纜，家居裝修建材等，特別是當用戶要需要增加節(jié)點以增加系統(tǒng)功能時，更是要重新對其進行布線。(3)系統(tǒng)可擴展性差。增加或減少新的監(jiān)測對象必將要求系統(tǒng)具有良好的軟件與硬件擴展性。硬件可擴展性是有線技術方案的主要技術難點之一2。(4)移動性較差。由于有線的束縛和影響，其美觀性較無線系統(tǒng)差，不利于家居的后續(xù)裝修。1.4典型無線網(wǎng)絡技術介紹1.4.1 ZigBee技術ZigBee 技術主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設備之間3。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此

11、種技術與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術聯(lián)盟，以研發(fā)名為ZigBee的新一代無線通信標準。而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。 1.4.2 Wi-Fi技術Wi-Fi，是由一個名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術語，中文翻譯為“無線相容認證”。 Wi-Fi或802.11G在2.4Ghz頻段工作，所支持的速度達54Mbps（802.11n工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，

12、理論最高速度600Mbps)。但隨著技術的進步，其速度在目前看來較慢，現(xiàn)逐漸退出市場主流。熱點是通過將訪問節(jié)點安裝在互聯(lián)網(wǎng)連接上來創(chuàng)建的。這個訪問節(jié)點通過無線信號將信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上，一般覆蓋到200米以內(nèi)。雖然Wi-Fi有覆蓋范圍較廣等特點，但是其的基帶協(xié)議和射頻協(xié)議比較復雜，實現(xiàn)成本較高，而且其功耗比較大，根本上滿足不了電池供電的要求。1.4.3藍牙技術愛立信公司制定了初始的藍牙技術，此技術一開始是愛立信公司在1994年的一個研究移動電話和其他配件期間進行的低功耗、低成本的無線通信連接方法的方案。1999年正式公布藍牙1.0版，確定了使用頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速度達 ，和紅外技術相比，藍牙有著較

13、高的傳輸速率，而且不需要像紅外線那樣進行口對口的連接才能傳輸數(shù)據(jù)，所有的藍牙終端基本上只要在有效的范圍內(nèi)使用，就隨時可以進行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。 1.5 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新1.5.1 本文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關注。近年來隨著家庭裝修時工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測功能的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介入，為我們營造一個安全健康的家居環(huán)境。(1)ZigBee協(xié)議的介紹。主要介紹了ZigBee協(xié)議中各個部分的組成和數(shù)據(jù)結構，并對各層中的重點內(nèi)容進行了詳細的分析；(2)本文以無線傳感網(wǎng)絡為基

14、礎，以ZigBee技術紐帶，詳細設計出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點-協(xié)調(diào)器節(jié)點（控制中心）和傳感器節(jié)點。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設計出了不同的傳感模塊；(3)本論文還設計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。1.5.2本文主要研究創(chuàng)新點本文利用ZigBee技術，以實現(xiàn)無線系統(tǒng)的組網(wǎng)，可以為家居環(huán)境提供多地點、多對象的監(jiān)測，由于ZigBee技術的自組網(wǎng)性，在增加或減少監(jiān)測終端時系統(tǒng)靈活性較大。同時此系統(tǒng)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線

15、對家居美觀性的損害。終端通過顯示器及數(shù)據(jù)上傳到智能家居系統(tǒng)可以實時顯示并控制空氣凈化器等為家居環(huán)境，實現(xiàn)健康家居。第2章 ZigBee技術綜述ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫ZigBee的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實現(xiàn)了一個通信網(wǎng)絡，而每個個體則是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個通信，從而實現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、

16、近距離、低復雜度等的信息傳遞方式。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)，ZigBee技術的研究也主要是在低速率、低功耗通信領域進行應用，亦可以低成本地嵌入各種設備中組成龐大的網(wǎng)絡。總而言之ZigBee技術就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡通信技術。2.1 ZigBee技術介紹ZigBee 技術主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設備之間。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布

17、加盟ZigBee技術聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負責開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層和媒體控制層技術標準的 工作組。ZigBee聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡層及以上的協(xié)議。ZigBee協(xié)議則比藍牙技術、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 802.11x無線局域網(wǎng)等技術更簡單而實用。ZigBee使用的是 波段，采用了跳頻技術，這和藍牙技術相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。ZigBee的基本速率是，傳輸半徑可擴大到400米

18、，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡最大承載量可支持65535個節(jié)點設備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領域拓展ZigBee的應用。ZigBee網(wǎng)絡采用的是無線自組織網(wǎng)絡技術，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡節(jié)點則以ZigBee協(xié)議為基礎進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面。(1) 網(wǎng)絡穩(wěn)

19、定性好。其設計的網(wǎng)絡自己組織性能使網(wǎng)絡各個節(jié)點在無需人工干預的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿眨斕砑踊蛉コW(wǎng)絡中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡自愈能力；(2)成本低。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中兩節(jié)普通AAA干電池即可使用6個月至2年的時間，這也是ZigBee的最大的一個優(yōu)勢；(4)網(wǎng)絡容量大。每個ZigBee設備可以與另外254臺節(jié)點設備相連接，而加入路由節(jié)

20、點的ZigBee網(wǎng)絡最多可容納多達65000多個節(jié)點的網(wǎng)絡；(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s250kb/s，符合本設計需求；(6)工作頻段靈活。使用的頻段中2.4GHz全世界通用，歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用；(7)網(wǎng)絡延遲時間短?；顒釉O備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設備延時時間達到30ms；根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設定的技術標準，按功能分其網(wǎng)絡設備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器，ZigBee終端設備。他們的功能分別如下。（1）ZigBee協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設備，包含所有的網(wǎng)絡功能，是3種

21、設備中功能最全面亦最復雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡及網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。（2）ZigBee路由器：它也是全功能設備在加入網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。（3）ZigBee終端設備：其一般的簡化的功能設備。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡地址等。在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡拓撲結構可供選擇：星型結構，網(wǎng)狀結構和簇樹型結構，圖2.1所示。圖2.1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結

22、構圖在星狀結構中無論是路由器或終端設備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信，在ZigBee協(xié)調(diào)器則負責運作與維護著整個網(wǎng)絡；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構中，協(xié)調(diào)器負責初始化和建立網(wǎng)絡的操作，而路由器則對網(wǎng)絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。2.2 ZigBee協(xié)議分析ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4協(xié)議基礎之上，規(guī)定了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議規(guī)范。下面就網(wǎng)絡層與應用層作簡要介紹。ZigBee網(wǎng)絡層的主要功能就是確保正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應用層提供適合的服務接口。網(wǎng)絡層提供了

23、兩個必須的功能服務實體來向應用層提供服務接口，它們分別是管理服務實體和數(shù)據(jù)服務實體。應用層主要由用戶根據(jù)具體的應用進行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點的工作，再根據(jù)服務的需求為各個不同的節(jié)點提供通信服務。ZigBee應用層有三個不同的部分分別是：應用支持子層、ZigBee設備對象和制造商定義的應用對象。第3章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案本文的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對傳感器技術、無線網(wǎng)絡技術和計算機等技術的綜合運用，得以實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測，從而間接地為用戶創(chuàng)造一個健康的，適宜居的，舒適的家居環(huán)境。3.1 系統(tǒng)結構本論文是基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)

24、測系統(tǒng)，故根據(jù)ZigBee技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點通過無線技 術與協(xié)調(diào)器進行信息的交換；協(xié)調(diào)器則通過串口 進行相連通信。本文設計的系統(tǒng)結構如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)結構圖本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點主要負責的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責的是網(wǎng)絡的建立、終端節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和對PC端的數(shù)據(jù)通信。當然在實踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點，而只需做小許改動即可4。當監(jiān)測區(qū)域較大時，可用增加傳感器節(jié)點的方法來保證網(wǎng)絡的連通性，相反區(qū)域較小時可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點的設置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低

25、成本。在本設計的實踐環(huán)節(jié)，本人只象征性的做了一個傳感器節(jié)點進行試驗演示。3.2 系統(tǒng)功能定義本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要檢測家庭環(huán)境中以下一些環(huán)境參數(shù)以實現(xiàn)對環(huán)境信息的全面監(jiān)測，從而為用戶的準確決策提供參考。下面對各種參數(shù)進行如下介紹。（1）溫度濕度人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于35攝氏度后，每增加一度對人體的負面影響都是幾何級的增加，故此系統(tǒng)中最重要亦是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。溫度傳感器可以在用戶設定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫

26、度的控制，當然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節(jié)點，可實現(xiàn)在同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。（2）濕度人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動操作，這樣就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學明了地控制室內(nèi)的濕度。（3）煙霧燃氣的主要造成煙霧源，當燃氣發(fā)生泄漏時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度

27、監(jiān)測也是必不可少的一部分。當系統(tǒng)檢測到煙霧濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發(fā)送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。（4）燈光燈光亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過處理和判斷光線強度控制窗簾的開關或燈的開關。當光線過強時，可以控制窗簾自動合起，反之則可以控制其打開或電燈打開。（5）電能質(zhì)量電能質(zhì)量的主要指標有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和

28、用電質(zhì)量。所以居民住房的電能質(zhì)量檢測有很大必要，本文使用電壓電流互感器通過CS5460A芯片處理數(shù)據(jù)，由單片機能出，交流電的電壓、電流、功率、頻率等。3.3 系統(tǒng)設計要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點，可以總結出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個方面來得以實現(xiàn)。（1）低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡，節(jié)點很多，故只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。（2）安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯誤，則可導致PC判斷錯誤，導致錯誤控制。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統(tǒng)的安全性（3）外觀：由于要安裝在家庭各個地點，故要求其盡量小巧，美觀。（4）可

29、擴展：能根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少節(jié)點設置5。軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統(tǒng)升級方便以備增加節(jié)點時修改其中一個模塊而其他地方無需改動；程序設計要簡單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。第4章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計在ZigBee傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，在采集、接收、處理及發(fā)送數(shù)據(jù)進的同時，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點應具備以下功能。(1)傳感器信號的采集和處理；(2)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)；(3)液晶顯示和鍵盤輸入；(4)RS485通訊功能。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常由

30、傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成4。微處理器和無線通信模塊采用支持ZigBee協(xié)議，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器DHT11、MQ-2型氣體傳感器、光照強度傳感器用光敏電阻和電能質(zhì)量檢測用電壓電流互感器和CS5460A芯片，電源采用交流220V變壓整流直流5V供電。硬件系統(tǒng)結構框圖如圖4.1所示。圖4.1 硬件系統(tǒng)結構框圖4.1系統(tǒng)電源電路電源管理是對電源電壓調(diào)節(jié)和分配，為其他各模塊提供可靠和正常工作的電壓。電源模塊相當于房屋的基石，所以高性能的電源管理模塊對于整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行實至關重要的。電源模塊為控制單元、傳感器、控制輸出（電機、繼電器）等

31、模塊提供可靠且不同的工作壓。在設計過程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數(shù)而且要考慮電源使用效率、降低噪聲、復雜程度和干擾等方面優(yōu)化6。如下圖4.2 5V電源電路，家電交流220V經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓7。圖4.2 5V電源電路4.2 STC12C5608AD單片機本系統(tǒng)采用STC12C5620AD系列單片機，它是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機8，是高速低功耗超抗干擾的8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。4路PWM，8路高速10位A/D高精度轉(zhuǎn)換。共6個16位定時器，其中兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器

32、T2，PCA模塊可再實現(xiàn)4個16位定時器。SPI同步通信口，主模式/從模式同步通信口9。單片機最小系統(tǒng)的設計包括的外圍模塊有：復位電路，振蕩電路10 。最小系統(tǒng)電路圖如4.3下圖所示。圖4.3 單片機最小系統(tǒng)的電路4.3 家居環(huán)境參數(shù)采集模塊4.3.1 數(shù)字溫濕度傳感器DHT11DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接11。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。單線

33、制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。連接方便，數(shù)字溫濕度傳感器電路圖4.4如下所示 圖4.4 數(shù)字溫濕度傳感器電路圖4.3.2 煙霧傳感器MQ-2本次設計的煙霧傳感器用MQ-2。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號11。該傳感器需要施加二個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器

34、提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路VCC。為更好利用傳感器的性能，需要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rp恰當?shù)腞L值。其煙霧傳感器電路如圖4.5所示。當檢測到煙霧控制器輸出報警，蜂鳴器報警電路如圖4.6所示。 圖4.5 煙霧傳感器電路 圖4.6 蜂鳴器報警電路4.3.3 光照強度傳感器本光照電路是應用光敏電阻的特性而設計形成的，根據(jù)光敏電阻的工作原理，當有光照是光敏電阻的阻值會隨著光的強度增加而減小。把光敏電阻采樣得到的電壓值經(jīng)過LM358進行電壓放

35、大，然后進行濾波后送到單片機進行處理。光敏電阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電和額定電流的限制，超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞12。當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光照電壓也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同。光照傳感器電路如圖4.7所示。圖4.7

36、光敏電阻傳感器電路4.3.4 電壓電流檢測及保護供電系統(tǒng)的不斷發(fā)展和安全穩(wěn)定運行給國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來巨大的動力和效益。供電系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為的故障，不能及時得到控制，將會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，造成主設備損壞、電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電，給系統(tǒng)及社會帶來嚴重的后果。因此，如何保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行就成為了一個永恒的主題。 使用微機監(jiān)測系統(tǒng)來輸出相應保護控制，即微機保護。本系統(tǒng)的電流電壓檢測同樣使用電壓電流互感器，不同的是，經(jīng)互感器后由單相雙向功率集成電路芯片CS5460A處理數(shù)據(jù)，而后又單片機讀取數(shù)值，CS5460A還可以由軟件讀取交流電的頻率和電壓電流的相位差等。電壓電流檢測電路如下圖4.

37、8所示。圖4.8 電壓電流檢測電路由單片機檢測的電壓電流參數(shù)與該供電系統(tǒng)的參數(shù)整定后，可以輸出瞬時過電流保護，過載保護、過電壓保護、失壓保護等控制，這些控制功能由光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成，以完成各種保護的出口跳閘、信號警報、外部觸點輸入、人機對話及通訊等功能。由電壓電流的相位差可以計算出功率因數(shù)，進一步做功率因數(shù)校正控制，若功率因數(shù)較低可以控制接通并聯(lián)電容器組。 4.4 RS485通訊模塊 控制器通過RS485與上位機通信。 串口芯片選擇ISL81487，ISL81487配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過雙電荷泵，在3.0V至5.5V供壓下，表現(xiàn)出真正的RS485協(xié)議器件性

38、能，這些器件電路簡單，通訊準確穩(wěn)定。電路如圖4.9下所示。 圖4.9 RS485通訊電路4.5 LCD液晶顯示模塊帶中文字庫的128x64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,可以顯示8×4行16x16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。液晶屏的各引腳說明如下表4.1所示。液晶顯示接線如下圖4.10所示

39、。表4.1 液晶屏的各引腳說明表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1GND0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0對比度（亮度）調(diào)整4D/IH/LD/I =“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I =“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫6EH/L使能信號7-14D0- D7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式 16NC-空腳17RETH/L復位端，低電平有效 18NC-LCD驅(qū)動電壓輸出端19LED1VDD背光源正端（+5V） 20LED2VSS

40、背光源負端 圖4.10 液晶顯示接線圖第5章 系統(tǒng)軟件設計 5.1 ZigBee無線通訊協(xié)議終端節(jié)點的軟件主要實現(xiàn)以下功能：(1)數(shù)據(jù)采集功能：采集各個傳感器的輸出信號并進行數(shù)據(jù)分析存儲。(2)數(shù)據(jù)顯示功能：能夠在LCD上將采集處理后的傳感器數(shù)據(jù)實時顯示。每個不同類型的傳感器構成一個單獨的節(jié)點，液晶顯示當前環(huán)境下溫度()、濕度(RH)和煙霧強弱。(3)數(shù)據(jù)傳輸功能：采用標準的MODBUS協(xié)議通過上位機修改系統(tǒng)參數(shù)。(4)與無線模塊通訊：單片機將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以特定的波特率通過串口送到無線模塊發(fā)送12。ZigBee無線通訊協(xié)議程序流程圖如圖5.1所示。圖5.1 ZigBee無線通訊協(xié)議程序流程5.

41、2溫濕度傳感器程序溫濕度傳感器的詳細測量方法已在4.3.1已經(jīng)介紹了，在這里給出溫濕度傳感器采集信號的程序如下。uint ADC0 () uint i,test,adval;adval=0;test=0;ADCCS=0; _nop_(); ADCCLK=1; _nop_(); DI=1; ADCCLK=0; _nop_(); ADCCLK=1; _nop_(); if(CH=0) DI=1; ADCCLK=0; _nop_(); ADCCLK=1 ； _nop_(); DI=0; ADCCLK=0; _nop_(); ADCCLK=1; _nop_(); 5.3 煙霧傳感器程序本論文中，對于煙

42、霧傳感器主要解決的問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，濃度強弱顯示。因為MQ-2型煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。其主程序流程圖為5.2所示。圖5.2 煙霧傳感器流程圖5.4電壓電流檢測及程序單相雙向功率集成電路芯片CS5460A處理數(shù)據(jù)的程序要以下步驟。1) 復位 CS5460A，對 CS5460A 的復位腳發(fā)復位脈沖，脈寬不少于 10MS。 2) 寫同步控制命令字； 3) 從外部存儲器讀原來保存的校準值，并將讀出的值寫入相應的校準寄存器； 4)

43、寫控制寄存器，設置各寄存器參數(shù)；5) 清狀態(tài)寄存器；6) 讀取交流電壓電流頻率等參數(shù)寄存器。使用C語言書寫程序如下附件2。第6章 系統(tǒng)性能測試與評述6.1 硬件測試電路板焊接完畢后，找出硬件整體上的錯誤，如接口松動、接觸不良，電源不穩(wěn)定等。(1)穩(wěn)定性測試：長時間運行系統(tǒng)檢查電源電壓，液晶顯示，傳感器，無線模塊等。經(jīng)測試系統(tǒng)各電源運行正常，電壓均在正常值范圍之內(nèi)；液晶顯示正常清晰無閃屏；傳感器工作正常，采樣的數(shù)據(jù)正確；無線模塊無死機現(xiàn)象。(2)硬件安全性：檢查各類接口，保證電路不出現(xiàn)短路等問題。長時間運行程序并檢查芯片工作情況與工作狀態(tài)(溫度、電壓等)。經(jīng)測試系統(tǒng)各接口運行正常13。6.2軟件測試（1）傳感器采樣程序測試，以1s或2s間隔頻率采集各個傳感器，連續(xù)采集24小時以上，觀察LCD顯示是否有異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。測試結果：采樣正常，數(shù)據(jù)可靠。（2）單片機與無線模塊通訊測試：單片機每采樣到一次傳感器信號，處理后及時將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線模塊，通過觀察電路板上的通訊指示燈觀察無線模塊是否接收到數(shù)據(jù)。測試結果：無線模塊接收正常。（3）人界操作界面程序測試：多次重復操作按鍵菜單，設置各個系統(tǒng)參數(shù)，查看程序是否跑死，分析是否有bug。測試結果：程序運行無錯誤，無死機現(xiàn)象。（4）上位機通訊程序測試：以1s間隔頻率發(fā)送命令(24小時以上)，查看系統(tǒng)是否能及時返回數(shù)據(jù)，返回數(shù)據(jù)是否