基于ZigBee技术的家居环境监测设计

引言

随着社会发展，人们对家庭环境舒适度提出更高的要求，新的技术将推动家居智能化，家居中各种智能化的设备、家用电器和家庭安防设备将整合成为智能化的系统，在这个平台上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备。温度和湿度是家居环境的两个重要参数。在通常情况下，实现区域温湿度监测需要大量的电缆，新环境不利于移植。本文以ZigBee技术为基础，设计家庭环境无线监测系统，基于主从控制实现智能家居。

1ZigBee技术简介

ZigBee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee使用的是2.4GHz波段,采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似。但相比之下，ZigBee协议比蓝牙更简单，速率更慢，功率及费用也更低［%单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用。使用基于ZigBee短距无线通信技术，环境信息采集模块与显示终端实现无线通信，省去了传统布线的麻烦。在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇树型结构(ClusterTree)。

2硬件结构和软件设计

2.1硬件结构设计

家居环境监测系统以CC2530芯片为平台，实现信息数据的接收与发送。终端传感器节点选用SHT11，实现快速、方便的家居环境信息的监测功能。

2.1.1电源部分设计

采用的电源是双电源策略，通过开关选通电源适配器供电或电池供电，提高了使用的灵活性，电源供电部分的实物图如图1所示。

图1  电源供电部分实物图

当电池电压低于1.7V时，低电压指示灯D1亮，此时模块工作电压将不能保证稳定在+3.3V，请注意更换电池以保持模块正常工作。

2.1.2节点的硬件设计

主控节点和中央处理器在一起共用3.3V电源，通信采用ZigBee技术，将终端设备采集到的数据发送给协调器以及协调器接收数据。

本系统中传感器节点主要负责的是环境信息的采集与发送，协调器节点主要负责的是网络的建立、终端节点管理、数据处理和对PC端的数据通信。PC机作为控制中心直接和协调器通信。温湿度网络控制图如图2所示。

图2  温湿度网络控制图

家庭中的每个房间可以多放几个这样的类似节点，可实现在同一个房间进行多点的温度信息采集，以提高温度测量的准确度。同时增加了无线发射部分电路，可以将传感器采集的数据传输给远端设备。

本设计使用的是SHT11数字温湿度传感器，SHT11是包含有已校准数字输出的单芯片温湿度复合传感器。SHT11采用两条串行线和处理器进行通信，传感器在出厂时都进行校准,校准系数都以程序形式存储在OTP内存中。在传感器测量的时候，这些系数在传感器内部调用来修正信号。温湿度传感器SHT11的内部结构如图3所示叫

软件设计分数据采集和无线通信两部分。温湿度传感器采用I2C总线与处理器通信，完成数据采集工作，SHT11的SCK为时钟信号，DATA双向串行通信线可同时完成写命令与读数据的任务叫本设计选用的处理器芯片CC2530集成了射频收发模块，实现了ZigBee协议栈的体系结构。ZigBee体系结构包括四层：物理层(PHY)、控制子层(MAC)、网络层和应用层。

主模块管理家居中各个房间模块，将无线网络中各个节点的情况报告给家庭网关。程序首先初始化CC2530,之后初始化协议栈，开始发送加入网络信号，等待主机响应。如果加入网络成功，温湿度采集节点的发光二极管就会被点亮，并分配16位的网络地址。加入网络成功之后，温湿度采集节点就定时采集数据并向协调器发送。程序循环调用SendData()函数，定时采集温湿度值，然后把数据打包再发送到网络协调器，并开始接收应答。

无线数据发送函数：voidzb_SendDataRequest(uint16destination，uint16commandld,uint8len，uint8*pData,uint8handle，uint8txOptions，uint8radius)；无线数据接收函数:voidSAPI_ReceiveDataIndication(uint16source，uint16command，uint16len，uint8*pData)。在ZigBee协议栈中，协调器节点的串口通信单元已经由硬件层实现了接口封装，其实现文件为hal_uart.c和hal_uart.h。

实验装置在IAREW环境下开发，程序编译完成后，下载到开发板上，在必要的时候可以进行单步调试。为提高适用性，在开发板安装了液晶模块LM6059BCW，方便观测。对现场环境进行监测，监测结果如表1所列。

表1  各房间测量值

对于表1所列的四个室内温度和湿度的监测结果，经实验证明，此方式快捷，而且具有适用性。

3结语

实验装置以智能家居为目的，建立家居公共资源平台,提供基本的信息服务，满足人们便利生活的同时，还能节能增效。在实际应用中，根据需要确定节点数量。本系统可以通过添加模块应用到更多领域，如人体体温、煤气安防等，适于推广。如果通过网关连接到Internet,同时可实现Android的智能无线控制系统介入[6],用户可以方便监控自己家里的情况，有很好的发展前景。

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