基于ZigBee的家居環境監測系統設計

李紅博 朱留存 李明 夏建琪 劉文娟

摘要：針對家庭網絡的特點以及室內環境監測的要求，系統利用無線傳感網絡中ZigBee技術的低功耗、低成本和低復雜度等特點，用CC2530芯片、SHT11溫濕度傳感器及MQ-2氣體傳感器等節點，在ZigBee2006協議棧的基礎上開發出家居終端監測系統。系統利用終端節點將采集的數據上傳至協調器，協調器將數據發送到上位機，上位機可實時顯示環境數據供用戶觀察。實驗表明，利用ZigBee技術可降低系統復雜度并節約成本，實現對終端的區域化靈活控制。

關鍵詞：無線傳感網絡；CC2530；傳感器；監測系統

中圖分類號：TP368文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）07-65-3

Design on Home Environment Monitoring System Based on ZigBee

LI Hongbo， ZHU Liucun， LI Ming， XIA Jianqi， LIU Wenjuan

（Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225000， China）

0引言

隨著人們生活水平的提高，家庭居住環境受到越來越多的關注。為提高家居環境的舒適度，對環境狀況的監測成了人們關注的現實技術，基本的家居環境監測包括對室內溫濕度和氣體的監測。家庭網絡對應用之間的分布范圍要求低，而對可靠性、低成本、低功耗等方面要求高，ZigBee這種短距離無線傳感技術就能很好地應用于家庭網，同時它自組網自愈合的特點能提高系統的靈活性[1]，無線技術又能省去總體布線上的工作量，降低家庭布網復雜度；本文設計了基于ZigBee的溫濕度和氣體監測系統的方案，利用PC機上收集的從終端上傳的數據，用戶可遠程、實時地監測家居設備和環境，從而提高用戶使用的便捷性，提高人們的生活質量。

1系統總體設計方案

1.1系統結構設計

系統由無線傳感網絡模塊和用戶監測模塊構成，其中無線傳感網絡模塊包括了室內各終端節點、路由器和協調器，用戶監測模塊為上位機監測[2]，總體結構如圖1所示，終端節點將采集到的數據傳輸給協調器，協調器通過串口與上位機相連后上傳或者接收數據，用戶監測模塊則可以實時顯示從終端上傳的數據。

1.2系統網絡拓撲研究

ZigBee支持星型、樹型和網狀3種網絡拓撲結構[3]。協調器是3種網絡拓撲結構中必不可少的，負責發起和維持網絡，保障各節點之間的信息傳輸。在樹型和網狀網絡拓撲結構中，路由設備則起到了擴大網絡覆蓋范圍的作用，相比于星型網，網絡覆蓋范圍可以增加到10倍以上[4]。考慮到家庭網絡覆蓋范圍較小以及節約存儲空間及成本等方面，系統采用樹型網絡拓撲結構，如圖2所示。

2系統硬件設計

系統的無線通信模塊選用的是德州儀器公司推出的CC2530芯片，能支持的可編程閃存達8 KB RAM，輸出功率可達4.5 dBm[5]，靈敏度高、抗干擾性強，結合德州儀器的網絡協議棧Z-Stack，可以提高開發效率；另外，它有多種供電模式，能有效降低能源消耗，滿足家庭無線網絡中超低功耗的需求。

系統的終端節點模塊主要由SHT11溫濕度傳感器、MQ-2氣體傳感器、繼電器和蜂鳴器組成，2種傳感器的技術參數如表1所示。

①SHT11集成了溫度和濕度2種傳感器，具有高精度、高反應速度及體積小等特點，與CC2530連接之后就能采集溫濕度，操作簡單。

②MQ-2傳感器可以監測室內液化氣、甲烷、丁烷及煙霧等氣體，對它設定氣體閥值之后，若氣體濃度在設定的閥值以下，則輸出高電平，模擬接口的電壓顯示為低電壓；若氣體濃度超過限定閥值，數字接口輸出低電平，電壓值則會變大，由此驅動繼電器控制氣體開關和蜂鳴器進行報警。

3系統軟件設計

3.1 ZigBee協議的實現

ZigBee協議是一種短距離無線通信協議[6]，低功耗和低成本的特點滿足家庭網絡應用的要求。系統下位機軟件程序是基于德州儀器公司推出的Z-Stack協議棧，利用IAR集成開發環境開發的。其中，Z-Stack協議棧中的路由協議可以解決協調器的網絡組建問題，而調用Z-Stack協議棧中的API可以完成協調器與上位機之間的通信。

3.2 ZigBee節點的軟件設計

協調器節點主要負責組建和維持網絡，組建網絡成功后，協調器節點的LCD屏上會顯示網絡ID號并對終端節點發來的入網請求作出響應。若協調器地址空間未滿，它就會給終端節點分配網絡地址，接收終端節點發來的數據并通過串口與上位機通信，通過中斷返回，形成一套循環監測機制，實時監控數據[7]。協調器節點軟件操作流程如圖3所示。

終端設備初始化之后，尋找可用的ZigBee網絡并發送入網請求，當收到協調器響應之后，終端節點將地址ID發送給協調器。入網后，終端周期性地將采集的數據發送給協調器，終端節點軟件操作流程如圖4所示。

4測試結果與分析

上位機是利用Visual C++6.0開發的監測平臺，功能主要是實時顯示溫度和濕度，并顯示出溫濕度的趨勢走向圖，同時顯示監測的氣體狀態。設備上電之后，將電暖器接近傳感器后離開，溫度變化曲線如圖5所示，將加濕器接近傳感器后迅速離開，濕度變化曲線如圖6所示。預先設定好預警值后，氣體傳感器監測空氣中的氣體濃度，上位機平臺根據氣體濃度是否超過預警值，顯示氣體狀態。

實驗中用SmartRF Studio7軟件測試并結合實際溫濕度的比較，在室內環境中，溫濕度曲線變化狀態與溫濕度計相符。當通信距離小于100 m時，通信的丟包率趨近于0%；而當通信距離大于100 m時，出現丟包現象，并且丟包率隨著通信距離的增加而變大。

5結束語

系統簡要介紹了ZigBee無線傳感網絡的創建、軟硬件的設計以及對系統進行的測試分析，實驗結果表明，系統節點靈活，在短距離傳輸中運行穩定，具有較好的實時性，并且符合家庭監測網中低功耗及自動化程度高等特點。

參考文獻

[1]詹良.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[D].北京：北京郵電大學，2008.

[2]楊瑞峰，王雄，郭晨霞，等.基于ZigBee無線傳感網絡環境監測系統設計與應用[J].電子器件，2017，40（3）：760-765.

[3]周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術的溫、濕度控制系統[J].電子測量技術，2011，34（6）：47-50.

[4]馬駿.基于ZigBee技術的嵌入式監控系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2009.

[5]沈建明.基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度檢測系統[D].西安：西安工業大學，2013.

[6]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J].吉林大學學報，2010，28（1）：55-60.

[7]劉繼忠，敖俊宇，黃翔.基于ZigBee的水質監測無線傳感器網絡節點[J].儀表技術與傳感器，2012（6）64-68.