基于ZigBee技術的家居環境監測系統設計

楊 峰，張志森，文 枰

（四川文理學院 a.國有資產管理處，b.智能制造學院；四川 達州 635000）

基于ZigBee技術的家居環境監測系統設計

楊 峰a，張志森a，文 枰b

（四川文理學院 a.國有資產管理處，b.智能制造學院；四川 達州 635000）

隨著人們的生活水平不斷提高，對家居智能化和安全性等要求越來越高。介紹了一種基于ZigBee網絡的家居環境監測系統的設計，系統主要包括傳感器模塊、無線數據傳輸模塊和PC端管理中心三個部分。首先說明了系統的整體設計方案；然后分別完成了系統中的硬件電路設計、軟件編程和管理界面的設計；最后對設計的系統進行了測試試驗。試驗結果表明：該系統的性能穩定，溫度檢測的相對誤差在1%以內，濕度檢測的相對誤差在0．5%以內，CO檢測的相對誤差在3%以內。

ZigBee技術；智能家居；溫度檢測；濕度檢測；CO濃度檢測

0 引言

室內溫度、濕度以及有毒、有害氣體如甲醛、一氧化碳等因素對人的情緒和身體健康影響非常大[1-3]。隨著生活水平不斷提升，人們對家居環境的智能化監控、舒適度提升以及安全性保障等方面的追求也越來越高。如何在技術領域實現對家居環境的實時監控，并通過監控系統對環境變化做出快速反應，從而保障家居環境的舒適性、安全性，具有重要意義。

要實現對家居環境的智能化監控，就必須在家庭內部建立一個通信網絡。目前，建立通信網絡的方式有2種：一是有線通信，二是無線通信[4-5]。前者存在著布線困難、影響美觀等問題。無線通信方式組網就不存在這些問題。對于家庭內部網絡來說，信號傳輸距離較短，特別適合使用無線網絡進行通信。目前，短距離無線通信技術主要有紅外技術、藍牙技術、Wi-Fi技術以及ZigBee技術等[6-9]。與其它傳輸網絡相比，基于ZigBee技術的無線傳輸網絡具有成本小、功耗低、多終端連接等優點。

本文探討一種基于ZigBee網絡的家居環境智能監測系統設計[10-12]。通過傳感器節點對室內的溫度、濕度和CO濃度實時采集，采集的數據通過ZigBee無線網絡發送到控制中心節點，再通過串口線將數據發送至PC端管理中心：一方面，用戶可在管理中心界面看到室內環境的詳細信息；另一方面，當有火災險情時，系統能及時發出警報，通知用戶進行安全排查及處理。

1 系統設計總體方案

整個系統分為硬件設計和軟件設計2部分，包括數據采集、數據傳輸和PC端管理中心等模塊。數據采集由傳感器和執行部件來完成。采用ZigBee無線傳輸網絡的星型網狀拓撲結構實現數據的傳輸[13]。

采用溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器對相關數據進行采集。終端節點負責將采集到的數據傳輸給協調器，并執行協調器的命令。協調器節點負責對整個網絡傳來的數據進行處理：一方面，如果溫度或者一氧化碳濃度超過設定的上限，則將相應的標志位置1，否則置0；另一方面，也根據溫度和一氧化碳濃度的標志位來綜合判斷是否發生火災：當溫度和CO濃度的標志位中只有一個為1時，發出警報I；當二者的標志位均為1時，發出警報II。同時，協調器也將數據傳送到PC機，再通過人機交互界面將室內的濕度、溫度和一氧化碳濃度等信息顯示出來，方便人們實時了解室內環境的情況。

2 硬件設計

2.1 傳感器模塊設計

溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHT10溫濕度傳感器。該傳感器芯片內部包含一個14位的A/D轉換器，可以輸出完全標定的數字信號。溫濕度傳感器將采集到的數據以二進制形式存儲在數據寄存器中，在SCK引腳上的串行時鐘控制下，數據通過DATA引腳送入CC2530中，再由CPU根據修正公式將溫濕度數據進行修正。溫濕度傳感器SHT10通過P0.5和P0.6與CC2530相連。圖1為SHT10電路連接原理圖。

CO傳感器采用的是TGS2442，它是一種電阻式半導體氣體傳感器，具有功耗小、成本低、靈敏度高和壽命長等優點。TGS2442的驅動電路分為加熱回路和測試回路2部分，加熱回路的電壓VH加在加熱層的2個電極之間，測試回路的電壓VC加在敏感層的兩極及與之串聯的電阻2端。圖2為其內部電路原理圖。

圖1 SHT10電路連接原理圖

圖2 CO傳感器電路原理圖

當傳感器檢測到CO氣體時，其內部的電阻RS的阻值會發生變化：CO濃度越大，RS阻值越小。由電路原理圖可知，通過測量傳感器的輸出電壓就能測出CO的濃度。CO傳感器與終端節點的連接原理如圖3所示。

圖3 CO傳感器電路連接原理圖

2.2 ZigBee模塊設計

系統由ZigBee無線傳輸網絡來進行數據的傳輸，承擔整個系統通信的責任。ZigBee傳輸網絡包括一個協調器節點和多個終端節點。

ZigBee節點采用TI公司生產的CC2530芯片實現。CC2530分為3個端口，共21個數字輸入/輸出引腳，其中P2.3和P2.4用于和32KHz晶振的連接，其他引腳均可外接傳感器信號。

設計分別用芯片的P0.5、P0.6、P0.7與溫濕度傳感器、CO傳感器的信號輸出端連接。

2.3 電源模塊設計

由于終端節點分布較為分散，考慮到芯片參數指標、底板功能的實際情況及安裝的便捷性，終端節點采用正3 V干電池供電。終端節點模塊結構如圖4（a）所示。協調器節點與PC機通過USB接口相連為協調器節點提供正5 V直流電，同時也通過這種方式進行數據傳輸。協調器節點的模塊的結構如圖4（b）所示。

圖4 節點模塊示意圖

3 軟件設計

3.1 ZigBee節點的軟件設計

系統以TI公司提供的Z_Stack模板為基礎，在用戶任務函數處添加需要實現的功能函數。

系統設計的運行流程是：首先，終端節點對外部傳感器的狀態進行掃描；然后，根據掃描結果判斷是否要執行命令，并將獲得的數據以點播形式傳送到協調器節點；最后，終端節點進入睡眠模式，經過5 s后再進行傳感器狀態掃描。按照這種模式不斷循環周期執行，達到實時監控的目的。

協調器節點以廣播的形式向終端節點發送信息。終端首先根據信息的地址進行判斷：若信息是傳輸給自己的，則根據信息內容執行相應的動作，否則，就將收到的信息丟棄。終端節點發送給協調器節點的數據包括傳感器采集的數據和自身的編號，協調器根據編號來鑒別接收的是哪個節點發送過來的數據以及發送過來的數據的類型，以便于后期對不同數據進行處理。我們用T代表溫度，W代表濕度，CO代表一氧化碳。如1T25，表示1號節點采集的溫度為25℃。

為防止惡意攻擊或者其他用戶的無線網絡節點的誤接入，系統設計采用固定PANID和AES方式加密。AES加密密匙有128位、192位和256位三種長度。對于智能家居控制系統來說，采用128位加密就完全可以滿足要求。ZigBee節點程序運行流程如圖5所示。

圖5 程序設計流程圖

3.2 PC端管理中心設計

PC端管理中心是采用Labview編寫的人機交互界面。Labview軟件采用框圖式的編程，編程靈活、簡便、可移植性強。編寫好的界面不僅可以打包安裝到沒有安裝LabView軟件的計算機上使用，而且還可以發布到Web網頁上，實現遠程監控。

圖6 家居環境監測系統管理界面

設計的系統管理界面如圖6所示。界面上實時顯示每一個房間的溫度、濕度和CO濃度信息。當某一參數偏離正常范圍或者通過判斷發現有火災險情時，相應的狀態指示燈就閃亮。

4 試驗及結果分析

試驗使用了6個ZigBee模塊組成星型網絡拓撲結構。一個協調器節點放在客廳，5個終端節點分別放置在5個不同的房間。

4.1 系統穩定性測試

系統的穩定性測試主要是針對終端節點和協調器節點之間通信傳輸可靠性的測試。在試驗中，通過串口調試助手，分別對5個終端節點進行數據傳輸測試。終端節點每隔5 s就發送一次數據到協調器。對每個節點分別采集記錄1 000組數據。試驗結果如表1所示。

表1 數據傳輸可靠性測試

從試驗結果中可以看出，協調器節點分別接收到5個終端節點發送的數據次數都為1 000次，傳輸成功率都達到100%，數據在傳輸過程中沒有出現丟包現象，證明設計的系統具有很強的穩定性。

4.2 系統功耗測試

無線傳感器節點采用2節五號干電池供電，供電電壓為+3 V。表2是功耗測試結果。

表2 功耗測試結果

通過測量可以計算得出：兩節五號干電池正常工作時間可以達到6～7個月，最大化地滿足了系統低功耗性能的需求。

4.3 數據采集測試

試驗用設計的系統檢測室內的溫度和濕度，然后與ZOGLAB的便攜式溫濕度儀DSR-THEXT檢測的結果數據進行對比，結果如表3所示。

表3 溫濕度檢測結果

由表3可見，測試溫度的相對誤差在1%以內，濕度的相對誤差在0.5%以內。

在房間內燃燒泡沫，然后利用所設計的系統對室內的CO濃度進行檢測，同時用安帕爾AP-G一氧化碳檢測儀的檢測結果作對比，結果如表4所示。

表4 co體積分數濃度檢測結果

由表4可見，隨著CO濃度的增加，檢測結果的相對誤差也在逐漸減小，總體相對誤差在3%以內。

5 結語

本文釋試了一套基于ZigBee無線傳輸網絡的智能家居環境監測系統的設計。首先對系統的硬件和軟件設計進行了詳細的介紹。然后用設計的系統分別進行了穩定性測試和數據采集實驗，試驗結果表明：5個終端節點到協調器節點數據傳輸的成功率為100%；溫度檢測的相對誤差在1%以內，濕度檢測的相對誤差在0.5%以內，Co檢測的相對誤差在3%以內。

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The Home Environment Monitoring System Design Based on ZigBee

YANG Fenga,ZHANG Zhi-sena,WEN Pingb
(a.NationalAsset Management Office;b.School of Intelligent Manufacturing,Sichuan University ofArts and Science,Dazhou,Sichuan 653000,China)

As the living standards continue to improve,smarter and safer house environment are highly required. This paper introduces a kind of house environment monitoring system based on ZigBee network.The system consists of three parts:sensor module,wireless data transmission module and PC management center.Firstly,the design scheme of the system is completed;then,the hardware circuit design,software programming and the human-machine interface design are carried out respectively;finally,the system was tested by experiments.The experimental results show that the system performs robustly while the relative error of temperature,humidity and carbon monoxide is within 1%,0.5%and 3%respectively.

ZigBee technology;smart home;temperature measurement;humidity measurement;CO concentration detection

TN929.5；TP274

A

1673-1891（2016）04-0025-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.04.007

2016-09-14

四川省教育廳重點項目資助（15ZA0318）。

楊峰(1986—）男，四川通江人，助教，碩士，主要研究方向：儀器科學與技術及其應用。