基于zigbee的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院淮安生物工程學院 張兆朋南京信息工程大學大氣物理學院 黃建松徐州市氣象局 張方方

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基于zigbee的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院淮安生物工程學院 張兆朋
南京信息工程大學大氣物理學院 黃建松
徐州市氣象局 張方方

【摘要】針對當前家庭環(huán)境監(jiān)測的不足，提出了利用傳感器檢測家庭的環(huán)境，利用ZigBee無線技術進行數據傳輸，采集到的信息傳輸到控制器MSP430，控制器接受信號后進行判斷、處理，遇到危險情況進行報警處理并把信息顯示在小區(qū)物業(yè)管理辦公室的點陣屏，同時通過串口發(fā)送到GPRS模塊，把信息傳到業(yè)主手機，實現(xiàn)對家庭環(huán)境進行實時監(jiān)測，經測試，系統(tǒng)檢測功能良好，能夠完成對家庭環(huán)境的監(jiān)測，排除了家庭居室的安全隱患，同時稍加修改可用于實驗室或者倉庫等的監(jiān)控。

【關鍵詞】ZigBee；傳感器；MSP430；物聯(lián)網

0　引言

現(xiàn)在居民樓很高，一旦發(fā)生火災后果不堪設想，煤氣中毒、甲醛等有害氣體超標，粉塵過量等都會影響人們的身體健康，特別目前過敏性咳嗽的小孩比較多，部分是環(huán)境不良引起的，所以時刻監(jiān)測家庭環(huán)境有助于避免災害發(fā)生，有利于人們的身體健康，目前的家庭有毒氣體檢測僅僅限于有毒氣體的檢測顯示或者是報警，但晚上人們睡著時無法看到顯示，報警又會打擾別人，并不能夠自動排除家庭里有毒有害氣體從而會導致人中毒，特別是現(xiàn)在高層樓房比較多，一旦失火，消防的云梯到達不了高層，會帶來較大的損失。但有限監(jiān)控較多這樣不僅增加了維修難度還影響了美觀，攝像頭監(jiān)控可能會導致業(yè)主隱私外泄，導致業(yè)主不愿意使用監(jiān)控。

本文利用了ZigBee技術，采用多種傳感器，開發(fā)設計了家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測的不足，具有安全、可靠的特點。

1　總體設計與原理

圖1　家庭環(huán)境監(jiān)測總框圖

本系統(tǒng)利用傳感器檢測有害氣體、電氣、火災和粉塵濃度等，ZigBee節(jié)點與監(jiān)控終端連接接收數據后傳給ZigBee協(xié)調器，協(xié)調器接數據傳遞給控制器MSP430，控制器接收信息后進行判斷，超過一定數值進行處理，發(fā)出報警等并把信息顯示在務業(yè)管理員辦公室的點陣屏上，同時通過GPRS模塊發(fā)送到主人手機。

2　硬件設計

本系統(tǒng)主要用到了傳感器（煙霧傳感器、紅外探測器、甲醛傳感器等），控制器采用MSP430，ZigBee無線模塊等，利用傳感器采集信息，通過ZigBee協(xié)調器進行傳輸實現(xiàn)智能監(jiān)測。

2.1檢測部分

檢測部分利用傳感器用來檢測家庭環(huán)境，同時把檢測到的信息進行傳輸。用到的傳感器有溫濕度傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、紅外探測器、CO傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

利用傳感器檢測家庭居室的環(huán)境，其中粉塵傳感器選用的是DSM501，檢測粉塵含量，甲醛傳感器檢測甲醛含量，粉塵和甲醛對人們身體造成很大的危害；煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否失火，其中火焰?zhèn)鞲衅髦饕ㄟ^測量火焰輻射發(fā)出的紅外線或者紫外線強度及頻率來判斷火焰是否發(fā)生及測量其強度；溫濕度傳感器選用SHT11，溫度量程為-40℃-123.8℃，分辨率為0.01℃，測量精度為±0.4℃。濕度量程為0-100%RH，分辨率為0.03%RH，測量精度3%RH；紅外測溫探測器將線路中散發(fā)的紅外輻射能量轉化成電信號，根據溫度判斷是否會出現(xiàn)電氣火災；CO濃度的監(jiān)測選用TGS5042傳感器，用來檢測煤氣是否泄露。各種傳感器進行檢測室內的環(huán)境。

2.2ZigBee模塊

ZigBee具有低功耗、低成本、網絡節(jié)點多的特點，廣泛應用于遠程控制。

ZigBee組網的無線接收芯片選用的是TI公司的CC2530，該芯片功耗低、成本低，并且集成了一個高性能射頻收發(fā)模塊和一個單片機，還支持Z—Stack協(xié)議棧。

傳感器檢測到的信息發(fā)送到ZigBee節(jié)點，然后發(fā)送給ZigBee協(xié)調器，ZigBee協(xié)調器相當于一個信息中轉站，將節(jié)點發(fā)送來的信息發(fā)送到控制器MSP430。

2.3控制部分

圖2　控制部分硬件圖

傳感器檢測到的信息通過CC2530傳送給控制器MSP430，控制器將接收的信息進行處理，當超出規(guī)定值時進行報警，如果檢測到電氣火災及時切斷電源并把信息傳送到物業(yè)辦公室顯示在點陣屏上，通過GPRS傳到主人手機，同樣發(fā)生火災和煤氣泄露等都把信息傳給物業(yè)和業(yè)主，及時采取措施，避免財產人員受到損失，當家中有發(fā)生液化氣泄露的情況時，廚房內的檢測終端檢測到有毒有害氣體時，控制打開陽臺窗戶上的電機，開窗通風排出有害氣體防止煤氣中毒。

2.4執(zhí)行部分

執(zhí)行部分即通過電機運轉打開窗戶的部分，控制器引腳輸出電流小，無法使電機運轉，通過繼電器實現(xiàn)間接控制，實現(xiàn)小電流控制大電流，弱點控制強電。當煤氣泄露，單片機對應引腳電平改變，控制繼電器工作，運行電機，打開窗戶排除有害氣體，避免煤氣中毒；當發(fā)生火災時，揚聲器發(fā)出響聲報警，提示有情況發(fā)生；同時把信息顯示在點陣屏上。

3　軟件設計

監(jiān)測模塊在完成MCU及傳感器初始化之后首先判斷各類傳感器的工作狀態(tài)，如有異常則通過Zigbee節(jié)點模塊向控制中心發(fā)送傳感器故障信息，以便及時維修或更換傳感器。如一切正常，節(jié)點模塊開始采集傳感器數據，利用Zigbee節(jié)點模塊向控制中心發(fā)生監(jiān)測數據。

主控制器MSP430單片機及其外圍電路完成初始化之后，通過串口中斷接收Zigbee協(xié)調器的數據，進而加以判斷。如數據超出閾值則發(fā)出報警信息，及時處理警情；如數據處于正常區(qū)間則將數據顯示在顯示設備上。

圖3　節(jié)點程序流程及主控程序流程

4　安裝調試

系統(tǒng)采用的傳感器放在合適的位置，火焰?zhèn)鞲衅鞣旁趶N房和客廳，溫濕度傳感器放在臥室和客廳，電氣傳感器放在入門處；甲醛傳感器放在臥室；粉塵傳感器放在客廳；溫濕度傳感器放在客廳。采集到的信息反映到家里的點陣屏上，安全方面的信息傳送到主人手機并傳到物業(yè)辦公室的點陣屏上發(fā)出報警。

檢測部分供電可以采用電池供電也可以采用市電供電，執(zhí)行部分電機的供電需采用市電供電，并且開關電源功率要比較大，可以滿足打開電機使電機運轉，否則會出現(xiàn)打火但電機不轉的現(xiàn)象，無法打開窗戶。

通過軟件在電腦上設置業(yè)主接收的手機號碼，一旦家里發(fā)生火災等把信息傳送到手機。工作模式設置為出差模式、休息模式和正常模式，出差模式是當有異常情況出現(xiàn)，信息發(fā)送到物業(yè)報警提示的同時把信息發(fā)送到業(yè)主手機；休息模式，當出現(xiàn)煤氣泄漏，直接打開窗戶，排除有害氣體；正常方式是出現(xiàn)異常情況揚聲器直接發(fā)出響聲。

5　結論

本文利用ZigBee技術，通過各種傳感器檢測家庭環(huán)境，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測和處理，避免對人們生命財產安全帶來損失，有利于人們的身體健康。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性高，誤差很小，可以滿足日常監(jiān)測需要。

參考文獻

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作者簡介：

張兆朋（1980—），男，江蘇沛縣人，碩士，講師，主要從事智能控制方向的研究。