1、 石家莊鐵道大學畢業設計智能家居監測系統的設計Design of The IntelligentHome Furnishing Mornitorning System 2014 屆 電氣與電子工程 學院 專 業 工業自動化 學 號 20102543 學生姓名 劉軒昊 指導教師 楊明 完成日期 2014年6月 1日畢業設計成績單學生姓名劉軒昊學號20102543班級電1002-2專業工業自動化畢業設計題目智能家居監測系統的設計指導教師姓名楊明指導教師職稱副教授評 定 成 績指導教師得分評閱人得分答辯小組長得分成績：院長簽字：年 月 日畢業設計任務書題目關于Zigbee的智能家居監測系統的設計學生

2、姓名劉軒昊學號20102543班級電1002-2專業工業自動化承擔指導任務單位電氣與電子工程學院導師姓名楊明導師職稱副教授一、主要內容1.了解Zigbee基本模塊；2.了解ZStack協議；3.熟悉Zigbee模塊的功能及在ZStack協議下的實現。二、基本要求1.了解Zigbee主要模塊的功能；2.在Zigbee模塊上實現ZStack協議； 3.信號采集以及對上位機進行發送。三、應收集的資料及參考文獻1.Zigbee模塊的相關參數；2.ZStack協議的相關內容。四、進度計劃1.第1周至第4周 收集資料，熟悉設計環境，比較系統設計方案；2.第5周至第8周 確定系統總體設計方案；3.第9周至第

3、12周 設計，優化，仿真，調試，完成設計；4.第12周至第16周 整理論文，準備答辯。教研室主任簽字時間 年 月 日畢業設計開題報告題目智能家居監測系統的設計學生姓名劉軒昊學號20102543班級電1002-2專業工業自動化1、 研究背景 現代社會，人們越來越忙碌，生活節奏越來越快，人們對于舒適生活的要求也變得越來越強烈。智能家居控制系統可以提供更好的處理方案，既快捷又省力，還能提供舒適健康的環境。Zigbee可以用來檢測室內溫度、濕度，進而控制空調的運行，同時它又加強了處理緊急情況了能力，增加了住戶的安全感，從而提高生活質量。Zigbee的低能耗與高效率，大大滿足了智能家居的要求，使用起來快

4、捷方便，節能高效，它對于改善現代人類的生活質量，創造舒適、安全、便利的生活有著非常重要的意義。2、 國內外研究現狀自從世界上第一棟智能建筑1984在美國出現后，西方國家先后提出了各種智能家居照明方案，在這方面美國一直處于領先水平?，F在，國外的智能家居系統技術己日趨成熟，預計今年，50%以上的新房將具有一定的“智能型家居”功能。于此同時，由于技術的日益標準化，這些新型智能家居系統將比比爾.蓋茨耗資6000萬美元的高端別墅便宜得多。近年來，以美國微軟公司以及摩托羅拉俄日收的一批國際知名企業，先后躋身于智能家居的研究與開發中，例如：微軟的“夢之家”、IBM的“家庭主任”、摩托羅拉的“居所之門”等。此

5、外，日韓新等國的龍頭企業紛紛致力于家居智能化的開發，對家居市場更是躍躍欲試。在國外大型企業研發的同時，國內廠商也已開始智能家居產品的研發與生產，尤其是一些大公司憑借自己在資金與技術方面的又是，在低端產品市場上占據了相當重要的地位。比如清華同方的e.home事業部、北京的德達創先集團、傷害艾智系統有限公司等都在研發智能家居系統的相關產品。尤其是在最近幾年基于Zigbee的智能家居系統發展迅速，各個公司的Zigbee產品正如雨后春筍一般迅速出產，智能家居正在逐步覆蓋各個階層。目前，國內的這些智能家居系統還處于萌芽的階段。近些年來，在各個大公司和媒體的大力宣傳下，我國的家居環境監測行業開始起步，已經

6、有一些前瞻性很強的公司在從事此類系統的開發。另外，國內亦有些電器廠家也在市場上推出了自主的智能家居系統，類似的系統在家居環境的監測中均可以實現各種功能。三、主要工作及采用的方法 1采用實驗方法進行方案論證，模擬Zigbee無線網絡實現智能家居網絡； 2.對Zigbee無線技術進行深入的研究，并通過分析Zigbee技術及智能家居的特點，去定了智能家居內部的網絡拓撲，尋址方式，消息類型等特征； 3.以51單片機射頻收發芯片CC5230為核心搭建了一套Zigbee網絡硬件平臺，并通過與Zigbee協議棧的接口實現數據傳輸，并對Zigbee的主要功能進行了測試； 4.總結評估設計，進行改進。四、預期達

7、到的結果 掌握Zigbee模塊的參數功能與ZStack協議，實現數據采集模塊與芯片的數據 傳輸并向上位機發送無線數據。指導教師簽字時間 年 月 日摘 要隨著嵌入式計算、傳感器、無線通信等技術的飛速發展，無線傳感網被廣泛應用于環境監測、軍事國防和工農業控制等諸多領域，已成為電子信息技術發展的一個熱點。CC2530是TI公司針對Zigbee的無線傳感網芯片解決方案，具有功耗低，可靠性高，組網簡單等優勢。基于CC2530和Zigbee協議，設計了溫濕度數據采集系統。在干擾環境下測試表明，網絡具有較強的魯棒性和自組能力。本課題主要介紹基于CC2530為核心的家庭環境監測系統的硬件電路設計和軟件流程設計

8、，實現了在家庭環境中對溫度、濕度、煙霧的監測。將溫度、濕度的信息量經過單片機處理后通過無線發送給上位機。本設計使用Zigbee無線網絡協議，將系統參數傳輸及控制，可與上位機實時通訊和監控。關鍵詞：CC2530 傳感器 Zigbee 環境監測ABSTRACTWith the rapid development of embedded computing, sensor, wireless communication technology, wireless sensor network is widely used in environmental monitoring, military de

9、fense, 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 pro

10、tocol, 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 circ

11、uit 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 corresp

12、onding 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 Zi

13、gbee Environmental Monitoring目 錄第1章 緒論11.1 本文研究背景與意義11.2 智能家居環境監測系統的特點11.3 國內外發展現狀及分析21.4 典型無線網絡技術介紹21.4.1 Zigbee技術21.4.2 Wi-Fi技術31.4.3 藍牙技術31.5.1 本文主要研究內容31.5.2 本文主要研究創新點4第2章 Zigbee技術綜述52.1 Zigbee技術介紹52.2 Zigbee技術的特點62.3 Zigbee網絡設備組成和網絡結構62.4 Zigbee協議分析72.4.1 網絡層(NWK)72.4.2 應用層(APP)8第3章 家居環境監測系統方案1

14、13.1 系統結構113.2 系統功能定義123.3 系統設計要求12第4章 家居環境監測系統硬件設計144.1 系統電源電路144.2 Zigbee芯片CC2530154.3 家居環境參數采集模塊154.3.1 數字溫濕度傳感器DHT11154.3.2 煙霧傳感器MQ-2164.4 CC2530通訊174.5 LCD液晶顯示模塊18第5章 系統軟件設計195.1 Zigbee無線通訊協議195.2 溫濕度傳感器程序205.3 煙霧傳感器程序20第6章 系統性能測試與評述216.1 硬件測試216.2 軟件測試21第7章 結論與展望227.1 結論227.2 展望22總結23參考文獻24致謝2

15、5附錄26附錄A 外文文獻26附錄B 中文翻譯34附錄C 程序39石家莊鐵道大學畢業設計 第1章 緒論1.1 本文研究背景與意義千百年來，人類都在關注著自身的生活和居住條件，并努力改善和提高之。隨著工業革命和信息技術革命的成功，進入21世紀后，人類的各種技術包括通信技術、計算機網絡、控制理論、互聯網等都有了很大的發展，另外，經濟的發展也使我們都希望居住在一個舒適的家居環境中，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上進行資源共

16、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境參數符合人們舒適居住使用的要求，營造一個良好的環境，從而可使用戶能夠居住在一個更高要求的環境中。本文研究設計了一種智能家居環境監測子系統，實現對家庭環境的實時監測，實時為用戶提供可靠并且全面的環境信息。智能家居系統中一個非常重要的部分就是本文所研究的環境監測子系統。在這個系統中，人們可以獲得實時的居住環境信息，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，此系統中傳感器所得到的環境參數可以為其它家居設備做決策參考，最終由智能家居系統實現對家庭環境的智能調節，比如，當測量到的光照強度高于用戶設定的一定值的時候，系統就將啟動

17、自動窗簾系統的馬達，自動將窗簾關到一定程度，以降低室內的光強度，適合居??；又如，當溫度值偏低時，系統就將啟動空調設備進行工作，來增高室內溫度。因此，智能家居系統為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環境，從而使環境監測子系統成為了智能家居系統的一個非常重要關鍵部分與基本環節，能否擁有一個好的智能家居系統的關鍵在于能否設計出好環境監測子系統，這對改善人們生活環境的舒適度有非常重要的意義。1.2 智能家居環境監測系統的特點無線環境監測系統擁有全面、可靠的環境信息采集分析能力。為了實現環境信息監測的精確性、全面性并且方便使用，本文的環境監測系統應具有以下各種特點：(1)多對象監測，環境監測系統需要檢測多

18、種環境信息，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境信息參考。(2)多點監測，需要對同一環境參數在不同地點和不同時間分別進行測量，這是因為環境中各種環境信息不同的時間和空間上分布不具有均勻性，由此實現監測的全面性和高精度性，甚至有時需要對同一環境參數在多點進行測量。(3)系統靈活，當有新的環境參數被要求測量時，系統的可擴展性要求靈活，方便增加節點，以降低成本1。1.3 國內外發展現狀及分析隨著經濟的發展和我們生活質量的提高，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。現有的智能家居產品大部分是以有線網絡作為家庭的內部網絡，有線網絡布線

19、麻煩，終端節點數量多而需要數量龐大的電纜，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已經形成集中以有線為基礎的標準，包括有：美國的X-10 CEBus、歐洲的EIB、日本的HBS等。目前，國內的這些智能家居系統還處于萌芽的階段。近些年來，在各個大公司和媒體的大力宣傳下，我國的家居環境監測行業開始起步，已經有一些前瞻性很強的公司在從事此類系統的開發。另外，國內亦有些電器廠家也在市場上推出了自主的智能家居系統，類似的系統在家居環境的監測中均可以實現各種功能。雖然現在的各種有線技術亦能夠對環境信息進行監測與處理，讓各種監測設備之間進行連接通信。但當采用有線技術方案時，根據智能家居環境

20、監測系統的特點，它存在一些缺點，如下面幾項所示。(1)系統布線麻煩。采用有線技術時，對各個監測點分別進行布線將是一份復雜龐大的工作，特別是當系統監測對象的數量較多時更是如此，又容易破壞家庭之前裝修的完整性；(2)安裝與維護成本高。在安裝系統時，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點以增加系統功能時，更是要重新對其進行布線。(3)系統可擴展性差。增加或減少新的監測對象必將要求系統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差，不利于家居的后續裝修。1.4 典型無線網絡技術介紹1.4.

21、1 Zigbee技術Zigbee 技術主要用于低數據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現的食物的位置、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技術聯盟，以研發名為Zigbee的新一代無線通信標準。而在2006年作為中國通信行業龍頭的華為公司亦加入了此聯盟。 1.4.2 Wi-Fi技術Wi-Fi是由一個名為“無線以太網相容聯盟”(Wireless Ethernet Compa

22、tibility Alliance, WECA)的組織所發布的業界術語，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，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，現逐漸退出市場主流。熱點是通過將訪問節點安裝在互聯網連接上來創建的。這個訪問節點通過無線信號將信息傳到互聯網上，一般覆蓋到200米以內。雖然Wi-Fi有覆蓋范圍較廣等特點，但是其的基帶協議和射頻協議比較復雜，實現成本較高，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

23、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，最高數據傳輸速度達 ，和紅外技術相比，藍牙有著較高的傳輸速率，而且不需要像紅外線那樣進行口對口的連接才能傳輸數據，所有的藍牙終端基本上只要在有效的范圍內使用，就隨時可以進行連接收發數據。1.5 本文主要研究內容及創新1.5.1 本文主要研究內容隨著我國經濟和科技的迅猛發展，人們的生活水準越來提高，日常家居的環境更受到了人們的關注。近年來隨著家庭裝修時工業板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內的環境不容樂觀。這就要求有

24、各種有害氣體監測功能的家居環境監測系統介入，為我們營造一個安全健康的家居環境。(1)Zigbee協議的介紹。主要介紹了Zigbee協議中各個部分的組成和數據結構，并對各層中的重點內容進行了詳細的分析；(2)本文以無線傳感網絡為基礎，以Zigbee技術紐帶，詳細設計出的家居環境監測系統中的兩種節點-協調器節點(控制中心)和傳感器節點。在協調器節點中，本文實現了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設計；而在傳感器節點中，由于其與協調器類似，故僅針對不同的環境信息，設計出了不同的傳感模塊；(3)本論文還設計了串口調試操作界面，可以方便用戶的調試和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環境信息的

25、參數。1.5.2 本文主要研究創新點本文利用Zigbee技術，以實現無線系統的組網，可以為家居環境提供多地點、多對象的監測，由于Zigbee技術的自組網性，在增加或減少監測終端時系統靈活性較大。同時此系統還省去了繁瑣的有線系統布線對家居美觀性的損害。終端通過顯示器及數據上傳到智能家居系統可以實時顯示并控制空氣凈化器等為家居環境，實現健康家居。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協議，根據此協議的規定，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，由于通過持續不斷地跳這種舞蹈來實現對新

26、發現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了一個通信網絡，而每個個體則是網絡中的一個節點。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，從而實現了蜜蜂的低成本、低數據速率、自組織、低功耗、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，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絡。總而言之Zigbee技術就是一種低功耗，低成本的無線網絡通信技術。2.1 Zigbee技術介紹Zigbee技術主要用于低數據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

27、字主要來源于蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發現的食物的位置、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技術聯盟，以研發名為“Zigbee”的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業龍頭的華為公司亦加入了此聯盟。截至目前，該聯盟大約已有約27家成員企業，所有這些公司都參加了負責開發Zigbee協議物理層和媒體控制層技術標準的 工作組。Zigbee聯盟負責開發網絡層及以上的協議。Zigbee協議則比藍牙技術、高速率個人區域網或802.11x無線局域

28、網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，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個節點互聯，若網絡中加入路由節點，則網絡最大承載量可支持65535個節點設備互聯。由于它的低延遲和低功耗性能優越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產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、傳感器網絡、家庭監控、工業監控和安全系統等眾多領域拓展Zigbee的應用。2

29、.2 Zigbee技術的特點Zigbee網絡采用的是無線自組織網絡技術，與蜜蜂的通信類似，網絡中的各個節點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網絡。網絡節點則以Zigbee協議為基礎進行通信，與各種傳統無線網絡相比，其主要優點有以下幾個方面。(1)網絡穩定性好。其設計的網絡自己組織性能使網絡各個節點在無需人工干預的情況下自己組網并實現數據傳輸的任務，當添加或去除網絡中某個節點時，其余節點可以自行尋找其他節點替代中轉信息，具有較強網絡自愈能力；(2)成本低。由于Zigbee聯盟已經有二十多家，他們的研發實力都很強，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

30、芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優勢。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中兩節普通AAA干電池即可使用6個月至2年的時間，這也是Zigbee的最大的一個優勢；(4)網絡容量大。每個Zigbee設備可以與另外254臺節點設備相連接，而加入路由節點的Zigbee網絡最多可容納多達65000多個節點的網絡；(5)數據傳輸速率低。只有10kb/s-250kb/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)網絡延遲時間短。活動設備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜

31、索設備延時時間達到30ms；2.3 Zigbee網絡設備組成和網絡結構根據Zigbee聯盟所設定的技術標準，按功能分其網絡設備劃分為三種：Zigbee協調器，Zigbee路由器，Zigbee終端設備。他們的功能分別如下。(1)Zigbee協調器：它是個全功能的設備，包含所有的網絡功能，是3種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。它的作用是發送網絡信標、建立并且管理一個網絡及網絡節點、存儲節點信息并且不斷地接收下級節點所發來的信息。(2)Zigbee路由器：它也是全功能設備在加入網絡后，協調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點使用，方便每個節點接入

32、或離開網絡，具有數據轉發及路由之功能。(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調器或路由器之間通信，包括獲取網絡地址等。在Zigbee協議規范中，組網時有三種網絡拓撲結構可供選擇：星型結構，網狀結構和簇樹型結構，圖2-1所示。星狀簇狀路由器協調器終端設備網狀圖2-1 Zigbee網絡拓撲結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調器進行通信，在Zigbee協調器則負責運作與維護著整個網絡；在簇狀和網狀網絡結構中，協調器負責初始化和建立網絡的操作，而路由器則對網絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉發,只不過在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級

33、向上傳遞到協調器，再由協調器將信息分發下去。2.4 Zigbee協議分析2.4.1 網絡層(NWK)Zigbee網絡層的主要功能就是確保Zigbee的MAC層(IEEE 802.15.4)正常工作，同時定義了一些必須的函數，并且為應用層提供適合的服務接口。網絡層提供了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據服務實體。通過網絡層數據服務實體服務接入點(NLDE-SAP)，網絡層的數據實體(NLDE)得以提供數據傳輸服務；網絡層管理實體(NLME)與之不同，它是通過網絡層管理實它體服務接入點(NLME-SAP)來提供網絡管理服務的。網絡層管理實體則是利用網絡層數據

34、實體完成一些網絡的管理工作，并且網絡信息庫(NIB)理是網絡層管理實體完成的。2.4.1.1 網絡層數據實體(NLDE)網絡層數據實體為數據提供服務，在兩個或多的設備之間進行數據傳送任務時，則是按照應用協議數據單元(APDU)的格式進行傳送的，并且所有的這些設備必須是在同一個網絡中，即要求在同一個個域網中。網絡層數據實體提供的服務如下三項：(1)指定拓撲傳輸路由，網絡層數據實體發送一個網絡層的協議數據單元到一個合適的接受設備，此設備可能是一個在通信鏈路中的中間通信設備，也可能是最終的目的通信設備。(2)生成網絡層的協議數據單元(NPDU)：通過增加一個適當的協議頭，網絡層數據實體從應用支持層協

35、議數據單元中生成網絡層的協議數據單元。(3)安全：確保通信的機密性和真實性。2.4.1.2 網絡層管理實體(NLME)絡層管理實體允許應用與堆棧相互作用，并且提供網絡管理服務。網絡層管理實體提供了以下的幾種服務：(1)配置一個新的設備：設備應具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。配置選項包括對連接一個現有網絡設備或一個Zigbee協調器的初始化的操作。(2)初始化一個網絡：使設備有能力建立一個新的網絡。(3)連接和斷開網絡。要求設備具有斷開網絡的能力和具有連接一個新的網絡的能力，以建立一個Zigbee協調器或者路由器。(4)鄰居設備發現：需要具有發現、匯報和記錄相鄰設備信息

36、的能力。(5)尋址：Zigbee協調器和路由器具有分配地址給新加入網絡的設備的能力。(6)路由發現：具有發現并且記錄傳送信息的網絡路由的能力。(7)接收控制：具有控制設備是否處于接收狀態的能力，即控制接收機接收信息時間的長短和什么時候來接收信息，以此來保證MAC層的正常接收和同步等。2.4.2 應用層(APP)應用層主要由用戶根據具體的應用進行自我開發，用以維持節點的各種功能，發現此節點工作空間范圍內其他節點的工作，再根據服務的需求為各個不同的節點提供通信服務。Zigbee應用層有三個不同的部分分別是：應用支持 (Application Support Sub1ayer，簡稱APS)子層、Zi

37、gbee設備對象 (Zigbee Device Object，簡稱ZDO)和制造商定義的應用對象。2.4.2.1 應用支持子層APS層提供了這樣的接口：在NWK層和APL層間，從設備對象到供應商的應用對象的通用服務集。這服務由兩個實體得以實現：APS管理實體(APSDE)和APS數據實體APSDE。(1)APSME通過APSME服務接入點(APSME-SAP)；(2)APSDE通過APSDE服務接入點(APSDE-SAP)。APSDE提供了多種服務給應用對象，維護管理對象的數據庫，也就是我們常說的AIB，同時這些服務包括綁定設備和安全服務。APSDE則提供在同一個網絡中的兩個或多個應用實體間進

38、行數據通信的服務。2.4.2.2 應用層框架為存在Zigbee設備中的應用對象提供活動的環境的是Zigbee中的應用框架。其最多可以定義240個較為獨立的應用程序對象，任意一個對象的端點編號都是從1到240。另外還有兩個附加的節點終端為了APSDE-SAP的使用：端點號0專門應用于ZDO數據接口；而另外一端的端點號255則專門應用于所有應用對象廣播數據的數據接口；最后，端點241-254則是要保留給有需要擴展的時候使用的。2.4.2.3 Zigbee設備對象Zigbee設備對象(ZDO)，描述了一個基本的功能函數，這個函數為在應用對象、設備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO位于應

39、用支持子層和應用框架之間，在Zigbee協議棧中應用操作的一般需求它有所滿足。ZDO還有以下作用：(1)初始化安全服務規范(SSS)，應用支持子層(APS)和網絡層(NWK)。(2)從終端的應用中集合配置的信息來執行和確定發現、網絡管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO描述了應用框架層的應用對象的網絡功能和應用對象的公用接口用以控制設備。在終端節點0處，ZDO則提供了與協議棧中低一層進行連接的接口，若接受的是數據，則通過APSME-SAP接入點，而若是控制信息則通過APSME-SAP的接入點。ZDO公用接口則在Zigbee協議棧的應用框架中提供設備發現、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服

40、務。Zigbee設備對象的主要功能如下：(1)初始化網絡層、應用支持子層和安全服務層；(2)發起或響應綁定請求；(3)在網絡內部發現設備，并且確定為此發現的設備提供的應用服務種類；(4)定義設備在網絡中的各種角色，如，終端設備、路由器或協調器；(5)從終端的應用來收集各個配置信息來確定和執行發現管理、網絡管理、安全管理和綁定管理等；(6)在網內各個設備之間建立起安全又可靠的關系。第3章 家居環境監測系統方案本文的家居環境監測系統，通過對傳感器技術、無線網絡技術和計算機等技術的綜合運用，得以實現對家庭環境的實時監測，從而間接地為用戶創造一個健康的，適宜居的，舒適的家居環境。3.1 系統結構本論文

41、是基于Zigbee技術的無線傳感器網絡環境監測系統，故根據Zigbee技術的標準和特點設計了由多傳感器節點，協調器節點和PC組成的該系統。其中，傳感器節點通過無線技 術與協調器進行信息的交換；協調器則通過串口 進行相連通信。本文設計的系統結構如圖3-1所示。上位機LCDCC2530溫濕度傳感器煙霧傳感器圖3-1 系統結構圖本系統中傳感器節點主要負責的是環境信息的采集與發送，協調器節點主要負責的是網絡的建立、終端節點管理、數據處理和對PC端的數據通信。當然在實踐過程中可以根據家庭居住環境的大小和所需監測的內容，來增加或減少傳感器節點，而只需做小許改動即可4。當監測區域較大時，可用增加傳感器節點的

42、方法來保證網絡的連通性，相反區域較小時可以根據情況減少路由器節點的設置以節省系統資源，降低成本。在本設計的實踐環節，本人只象征性的做了一個傳感器節點進行試驗演示。3.2 系統功能定義本文設計的環境監測系統主要檢測家庭環境中以下一些環境參數以實現對環境信息的全面監測，從而為用戶的準確決策提供參考。下面對各種參數進行如下介紹。(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，故此系統中最重要亦是最基本的就是環境中溫度的采集。溫度傳感器可以在用戶設定的頻率下采集區域的溫度信息，并將其發送到協調器節點進行處理，再由協調器將處理結果數據通過串

43、口發送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數和程序對空調系統進行控制，從而實現對室內溫度的控制，當然這些是后續控制，不在本文討論范圍內。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節點，可實現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。目前人們經常是通過普通的加濕器來調節室內濕度，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境之改善。而在本系統中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經由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的濕度。(3)煙

44、霧燃氣的主要造成煙霧源，當燃氣發生泄漏時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度監測也是必不可少的一部分。當系統檢測到煙霧濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發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，以達到室內空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。3.3 系統設計要求本系統是在家庭環境中實現各種功能，根據此特點，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。(1)低功耗：由于是無線傳感網絡，節點很多，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。(2)安全性：本系統為家居環境控制系統做前期的數據采集，若出

45、現錯誤，則可導致PC判斷錯誤，導致錯誤控制。如：未發生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統的安全性(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)可擴展：能根據用戶的不同需求，隨時增加或減少節點設置5。軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統升級方便以備增加節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，數據傳輸格式要統一。第4章 家居環境監測系統硬件設計在Zigbee傳感器網絡中，傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，在采集、接收、處理及發送數據進的同時，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，并與其他節點協作完成一些特定任務。根據系統的需要

46、，傳感器節點應具備以下功能。(1)傳感器信號的采集和處理；(2)無線數據的發送或轉發；(3)液晶顯示和鍵盤輸入；(4)通訊功能。無線傳感器網絡的節點通常由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成,CC2530集成了這些功能。微處理器和無線通信模塊采用支持Zigbee協議，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，電源采用5V電池供電。硬件系統結構框圖如圖4-1所示。溫度傳感器DHT11煙霧傳感器5V電源LCD 128*64 CC2530上位機圖4-1 硬件系統結構框圖4.1 系統電源電路電源管理是對電源電壓調節和分配，為其他各模塊提供

47、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穩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化6。電源供電電路如圖4-2所示。圖4-2 5V電源電路圖4.2 Zigbee芯片CC2530CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF 收

48、發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530最小系統的設計包括的外圍模塊有：復位電路，振蕩電路10。最小系統電路圖如4-3下圖所示。4.3 家居環境參數采集模塊4.3.1 數字溫濕度傳感器DHT11DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模

49、塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。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，數字溫濕度傳感器電路圖4-4如下所示。圖4-3 CC2530最小系統的電路圖圖4-4 數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

50、較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環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用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻(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，需要調節可調電阻Rp恰當的RL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

51、電路如圖4-6所示。 圖4-5 煙霧傳感器電路圖圖4-6 報警電路圖4.4 CC2530通訊CC2530具有一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器。RF內核控制模擬無線模塊，強大地址識別和數據包處理引擎， 能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，支持Zigbee 2007/PRO 和Zigbee RF4CE。另外，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，這使得可以發出命令，讀取狀態，自動操作和確定無線設備事件的順序。無線設備還包括一個數據包過濾和地址識別模塊。Zigbee技術是一種雙向性無線短距離通信技術，具有通信距離短、能耗低、復雜度低、數據傳輸速率低、制作成本低等諸多特點。雖然點對點之間的

52、通信只有10-75m的范圍。但是zigbee可以通過組網,以多跳的方式來實現遠距離的通信。4.5 LCD液晶顯示模塊帶中文字庫的128*64是一種具有4位/8位并行、2或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、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。

53、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)調整4D/IH/LD/I =“H”,表示DB7-DB0為顯示數據D/I =“L”,表示DB7-DB0為顯示指令數據5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數據被讀到DB7-DB0R/W=“L”,E=“H/L”, DB7-DB0的數據被寫6EH/L使能信號7-14D0-D7H/L三態數據線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驅動電壓輸出端19LED1VDD背光源正端(+5V) 20LED

54、2VSS背光源負端 圖4-10 液晶顯示接線圖第5章 系統軟件設計 5.1 Zigbee無線通訊協議終端節點的軟件主要實現以下功能：(1)數據采集功能：采集各個傳感器的輸出信號并進行數據分析存儲。(2)數據顯示功能：能夠在LCD上將采集處理后的傳感器數據實時顯示。每個不同類型的傳感器構成一個單獨的節點，液晶顯示當前環境下溫度()、濕度(RH)和煙霧強弱。(3)數據傳輸功能：采用標準的MODBUS協議通過上位機修改系統參數。(4)與無線模塊通訊：單片機將要發送的數據以特定的波特率通過串口送到無線模塊發送12。Zigbee無線通訊協議程序流程圖如圖5-1所示。N有待處理事件？有節點加入網絡？初始化硬件初始化軟件配置建立網絡給節點分配地址處理事件YYN開始 圖5-1 Zigbee無線通訊協議程序流程5.2 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已經介紹了，在這里給出溫濕度傳感器采集信號的程序見附錄。5.3 煙霧傳感器程序本論文中，對于煙霧傳感器主要解