基于zigbee的家庭環境監測系統的設計

江蘇聯合職業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的家庭環境監測系統的設計

江蘇聯合職業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】針對當前家庭環境監測的不足，提出了利用傳感器檢測家庭的環境，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物業管理辦公室的點陣屏，同時通過串口發送到GPRS模塊，把信息傳到業主手機，實現對家庭環境進行實時監測，經測試，系統檢測功能良好，能夠完成對家庭環境的監測，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控。

【關鍵詞】ZigBee；傳感器；MSP430；物聯網

0　引言

現在居民樓很高，一旦發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，部分是環境不良引起的，所以時刻監測家庭環境有助于避免災害發生，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。但有限監控較多這樣不僅增加了維修難度還影響了美觀，攝像頭監控可能會導致業主隱私外泄，導致業主不愿意使用監控。

本文利用了ZigBee技術，采用多種傳感器，開發設計了家庭環境監測系統，解決了傳統監測的不足，具有安全、可靠的特點。

1　總體設計與原理

圖1　家庭環境監測總框圖

本系統利用傳感器檢測有害氣體、電氣、火災和粉塵濃度等，ZigBee節點與監控終端連接接收數據后傳給ZigBee協調器，協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，發出報警等并把信息顯示在務業管理員辦公室的點陣屏上，同時通過GPRS模塊發送到主人手機。

2　硬件設計

本系統主要用到了傳感器（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協調器進行傳輸實現智能監測。

2.1檢測部分

檢測部分利用傳感器用來檢測家庭環境，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、火焰傳感器。

利用傳感器檢測家庭居室的環境，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；煙霧傳感器和火焰傳感器檢測是否失火，其中火焰傳感器主要通過測量火焰輻射發出的紅外線或者紫外線強度及頻率來判斷火焰是否發生及測量其強度；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的紅外輻射能量轉化成電信號，根據溫度判斷是否會出現電氣火災；CO濃度的監測選用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境。

2.2ZigBee模塊

ZigBee具有低功耗、低成本、網絡節點多的特點，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模塊和一個單片機，還支持Z—Stack協議棧。

傳感器檢測到的信息發送到ZigBee節點，然后發送給ZigBee協調器，ZigBee協調器相當于一個信息中轉站，將節點發送來的信息發送到控制器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辦公室顯示在點陣屏上，通過GPRS傳到主人手機，同樣發生火災和煤氣泄露等都把信息傳給物業和業主，及時采取措施，避免財產人員受到損失，當家中有發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執行部分

執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，通過繼電器實現間接控制，實現小電流控制大電流，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；當發生火災時，揚聲器發出響聲報警，提示有情況發生；同時把信息顯示在點陣屏上。

3　軟件設計

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

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協調器的數據，進而加以判斷。如數據超出閾值則發出報警信息，及時處理警情；如數據處于正常區間則將數據顯示在顯示設備上。

圖3　節點程序流程及主控程序流程

4　安裝調試

系統采用的傳感器放在合適的位置，火焰傳感器放在廚房和客廳，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辦公室的點陣屏上發出報警。

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，否則會出現打火但電機不轉的現象，無法打開窗戶。

通過軟件在電腦上設置業主接收的手機號碼，一旦家里發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，信息發送到物業報警提示的同時把信息發送到業主手機；休息模式，當出現煤氣泄漏，直接打開窗戶，排除有害氣體；正常方式是出現異常情況揚聲器直接發出響聲。

5　結論

本文利用ZigBee技術，通過各種傳感器檢測家庭環境，實現對家庭環境的實時監測和處理，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。該系統運行穩定，實時性高，誤差很小，可以滿足日常監測需要。

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。