基于ZigBee技术的室内环境监测系统设计

论文总字数：21066字

目 录

1 绪论………………………………………………………………1

1.1 研究目的……………………………………………………………………………1

1.2 国内外研究状况……………………………………………………………………1

1.3 本文内容……………………………………………………………………………2

2 设计方案…………………………………………………………3

2.1 无线方案选择………………………………………………………………………3

2.2 系统方案……………………………………………………………………………3

2.3 ZigBee技术…………………………………………………………………………4

3 硬件平台…………………………………………………………8

3.1 ZigBee开发板………………………………………………………………………8

3.2 传感器模块…………………………………………………………………………10

4 软件程序设计……………………………………………………12

4.1 Z-Stack协议栈使用…………………………………………………………………12

4.2 用户应用程序设计…………………………………………………………………15

4.3 设备组网……………………………………………………………………………18

4.4 传感器采集程序设计………………………………………………………………21

4.5 省电方案研究………………………………………………………………………22

4.6 上位机软件…………………………………………………………………………24

5 系统测试…………………………………………………………25

6 总结………………………………………………………………26

参考文献………………………………………………………………27

致谢……………………………………………………………………28

基于ZigBee技术的室内环境监测系统设计

王家恒

，China

Abstract：Aiming at the issue that many families have low level of automation, lack of comfort and exist safety hazards, this paper designs an indoor environmental monitoring system based on ZigBee wireless technology, which can be seen as subsystem of smart home. In this system, two terminal nodes carry sensors, so that temperature, humidity and the gas chamber information are collected and transmitted by radio to the coordinator node, coordinator sends data to upper computer using serial port. The hardware platform uses CC2530, a TI ZigBee SoC. Based on Z-Stack, I also designed user application, device network forming, sensor collecting programs, I also studied power-saving solution for terminal nodes. At last, the system is simply tested, the results show that the system has achieved the original design goal.

Key words：Indoor environment monitoring，ZigBee，Wireless network

1 绪论

1.1 研究目的

随着现代通信技术、嵌入式技术和网络技术等科技和经济的发展，大众有动机寻求更好的生活品质，智能家居逐步进入了普通中产阶级民众的视野。人们希望能更方便地监测自己的居住环境，操作家中的设备。智能家居^[1]，即家居自动化，利用现代通信技术把家中的各种设备，诸如控制灯开关变化的照明系统、监测是否有人员出入的门禁系统、自动充值缴费的远程抄表系统等连接起来，与普通的住宅相比，提高了家居的自动化水平，改善了家居主人的居住体验。智能家居提供了更加宜人、有保障的居住环境，势必成为未来的主流。

室内环境监测系统可看作智能家居的子系统。室内环境包括房间里的光照、温湿度、气体浓度等环境信息。研究表明，人在温度20-26℃，相对湿度45-65%RH的环境中会感到最舒适，因此温湿度信息对于对生活品质要求较高的人有重要的参考意义；据不完全统计^[2]，2016年1月份我国发生燃气爆炸事故56起，其中民居是事故高发地，占事故总数的62%，可见气体浓度监测对家庭安全有重要意义，当监测气体浓度超标时，及时开启报警，可减少事故带来的损失。

目前在大多数家居系统中，室内环境监测大多是采用有线连接的方式，比如CAN总线、以太网等。这种方式有明显的缺点，不但系统升级麻烦，主要在于其布线繁琐，在装修前需要预埋线路，这使得系统的维护、可拓展性都不如人意。

室内环境监测需要的是便于安装、扩展方便且成本低廉的系统，对数据速率的要求很低，由于以这些原因，无线方式成为人们考虑的选择。诞生于2004年的ZigBee技术便是其中之一。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，主要应用于低速率个人局域网，典型的覆盖范围是10-100米内。目前这项技术主要应用在无线监测和控制中。使用ZigBee终端节点采集室内的温湿度信息、气体浓度信息，通过组建的无线网络传送信息到监控端展示，可以改善家居信息获取的自动化水平，继而使得家居更加便捷安全。

1.2 国内外研究状况

早在上个世纪八十年代^[3]，美国就设计出了“智能建筑”，这是世界上第一幢集成使用了通信、自动化技术的建筑产品，一出来就受到了商业公司的广泛关注。随后，欧洲、日本、加拿大等发达国家的众多公司 纷纷推出了各自的家居自动化方案，并得到一定的应用。近年来，韩国三星公司也推出了其智能家居系统，把家居各个部分连上互联网。日本的西科姆公司的产品能使家电自动联网，还具备了生物识别的门禁系统…这一切都让人对未来的家居充满憧憬。也正因为此，智能家居有着很诱人的前景。

我国在该领域起步比上述国家晚，但这几年来已经充分认识到其重要性，越来越多的企业推出自己的智能家居解决方案^[4]。比如海尔的U-Home系统，涵盖了家庭多媒体、远程监护、环境监测等子系统，实现了住宅的绿色化。这几年发展壮大的小米公司也推出了自己的智能家庭计划。但就总体来说，这样的大企业还是比较少，国内的相关方面的研究水平总体上也落后于欧美。

室内环境监测系统作为智能家居系统的组成部分，也有较多的相关方面的研究，其主要的研究方向是通信协议、组网优化、控制方式多样化、功能更加智能化等。室内环境监测的应用情境要求无线化、低功耗，本文就是在此方向作出的一点尝试。

1.3 本文内容

本文利用利用ZigBee技术组网能力强、低功耗等特点，使用成熟的硬件Soc和Z-Stack协议栈软件，开发了可全天候监测家居环境的的室内环境监测系统。该系统由两个终端节点（一个带温湿度传感器，一个带气体传感器）、一个协调器节点和上位机构成。终端节点利用传感器周期性采集室内的温湿度、气体浓度信息，并通过组建的星形ZigBee无线网络发送到协调器节点，再由协调器通过串口输出到上位机的界面上显示，以满足家庭范围内的监测需求。

用户根据显示的温度、湿度信息，对家里采取相应的喷水增湿或者打开空调调节温度等措施，可以使自己的居住更加舒适；采用的烟雾传感器可以布置在厨房中，全天候监测气体浓度信息，一旦家中发生类似煤气泄漏、意外着火突发情况，可以及时把信息提示给用户。

论文的章节安排如下：

1. ：绪论部分介绍智能家居的概念，和在国内外的发展状况，并介绍了室内环境监测的相关情况。之后对本文的内容和结构作出安排。
2. ：通过和其他无线技术的性能、特点对比，考虑家庭室内环境的特点和实际需求，论证了系统采用ZigBee技术的合理性。随之给出了本系统系统设计方案。之后对ZigBee技术作了详细的介绍。
3. ：详细介绍了系统使用的硬件平台，包括终端节点和协调器节点。介绍了CC2530核心板的组成和底板构成。介绍了DHT11温湿度传感器模块和MQ-2气体传感器模块的特点和使用。
4. ：系统的软件开发。首先介绍了Z-Stack协议栈及其使用，之后基于协议栈开发了用户应用程序，完成设备组网；重点研究了终端节点的省电方案；设计了两个传感器的采集和发送程序；介绍了便于用户使用的上位机软件。
5. ：系统调试，简单测试了系统的工作情况，并对结果做出了分析。
6. ：对工作进行了总结，提出进一步改进的想法。

2 设计方案

2.1 无线方案选择

以家居为系统的应用对象，家居对象具有如下特点：

a.普遍面积在几十到几百平米，分多个房间，设施、墙壁等隔挡物较多；

b.对于烟雾检测类装置，要求全天候工作；

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