【文章內(nèi)容簡介】 盟。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約 27 家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負責開發(fā) ZigBee 協(xié)議物理層和媒體控制層技術標準的 工作組。 ZigBee 聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡層及以上的協(xié)議。 ZigBee 協(xié)議則比藍牙技術、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 無線 局域網(wǎng)等技術更簡單而實用。ZigBee 使用的是 波段，采用了跳頻技術，這和藍牙技術相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee 協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。 ZigBee 的基本速率是，傳輸半徑可擴大到 400 米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個 ZigBee 無線模塊就可與 254 個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡最大承載量可支持 65535 個節(jié)點設備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們 更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 領域拓展 ZigBee 的應用。 ZigBee 網(wǎng)絡采用的是無線自組織網(wǎng)絡技術，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡節(jié)點則以 ZigBee 協(xié)議為基礎進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面。 (1) 網(wǎng)絡穩(wěn)定性好。其設計的網(wǎng)絡自己組織性能使網(wǎng)絡各個節(jié)點在無需人工干預的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?，當添加或去除網(wǎng)絡中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡自愈能力 ； (2)成本低。由于 ZigBee 聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在 2020 年正式推出自己的 ZigBee 芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢。 (3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中兩節(jié)普通 AAA 干電池即可使用 6 個月至 2 年的時間，這也是 ZigBee 的最大的一個優(yōu)勢； (4)網(wǎng)絡容量大。每個 ZigBee 設備可以與另外 254 臺節(jié)點設備相連接，而加入路由節(jié)點的 ZigBee 網(wǎng)絡最多可容納多達 65000 多個節(jié)點的網(wǎng)絡； (5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有 10kb/s— 250kb/s，符合本設計需求； (6)工作頻段靈活。使用的頻段中 全世界通用，歐洲使用 868MHz，美國則使用 915MHz 頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用； (7)網(wǎng)絡延遲時間短?；顒釉O備信道接入延時和休眠激活延時均僅為 15ms，而搜索設備延時時間達到 30ms； 根據(jù) ZigBee 聯(lián)盟所設定的技術標準，按功能分其網(wǎng)絡設備劃分為三種： ZigBee協(xié)調(diào)器， ZigBee 路由器， ZigBee 終端設備。他們的功能分別如下。 （ 1） ZigBee 協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設備，包含所有的網(wǎng)絡功能，是 3 種設備中功能最全面亦最復雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡及網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。 （ 2） ZigBee 路由器：它也是全功能設備在加入網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。 （ 3） ZigBee 終端設備：其一般的簡化的功能設備。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào) 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡地址等。在 ZigBee 協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡 拓撲結構可供選擇：星型結構，網(wǎng)狀結構和簇樹型結構，圖 所示。 圖 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構圖 在星狀結構中無論是路由器或終端設備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信，在 ZigBee協(xié)調(diào)器則負責運作與維護著整個網(wǎng)絡；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構中，協(xié)調(diào)器負責初始化和建立網(wǎng)絡的操作，而路由器則對網(wǎng)絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā) ,只不過在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。 ZigBee 協(xié)議分析 ZigBee 聯(lián)盟在 協(xié)議基礎之上， 規(guī)定了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議規(guī)范。下面就網(wǎng)絡層與應用層作簡要介紹。 ZigBee 網(wǎng)絡層的主要功能就是確保正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應用層提供適合的服務接口。網(wǎng)絡層提供了兩個必須的功能服務實體來向應用層提供服務接口，它們分別是管理服務實體和數(shù)據(jù)服務實體。 應用層主要由用戶根據(jù)具體的應用進行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點的工作，再根據(jù)服務的需求為各個不同的節(jié)點提供通信服務。 ZigBee 應用層有三個不同的部分分別是：應用支持子層、 ZigBee 設備對象和制造商定義的應用對象。 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 第 3 章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案 本文的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對傳感器技術、無線網(wǎng)絡技術和計算機等技術的綜合運用，得以實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測，從而間接地為用戶創(chuàng)造一個健康的，適宜居的，舒適的家居環(huán)境。 系統(tǒng)結構 本論文是基于 ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，故根據(jù) ZigBee 技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和 PC 組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點通過無線技 術與協(xié)調(diào)器進行信息的交換；協(xié)調(diào)器則通過串口 進行相連通信。本文設計的系統(tǒng)結構如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結構圖 本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點主要負責的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責的是網(wǎng)絡的建立、終端節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和對 PC 端的數(shù)據(jù)通信。當然在實踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點，而只需做小許改動即可 [4]。當監(jiān)測區(qū)域較大時，可用增加傳感器節(jié)點的方法來保證網(wǎng)絡的連通性，相反區(qū)域較小時可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點的設置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。在本設計的實踐環(huán)節(jié)，本人只象征性的做了一個傳感器節(jié)點進行試驗演示。 系統(tǒng)功能定義 本文設計的環(huán)境監(jiān)測 系統(tǒng)主要檢測家庭環(huán)境中以下一些環(huán)境參數(shù)以實現(xiàn)對環(huán)境信息的全面監(jiān)測，從而為用戶的準確決策提供參考。下面對各種參數(shù)進行如下介紹。 （ 1）溫度濕度 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于 35 攝氏度后，每增加一度對人體的負面影響都是幾何級的增加，故此系統(tǒng)中最重要亦是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。溫度傳感器可以在用戶設定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到 PC，此時， PC 可按之前用戶設置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制，當然這些 是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節(jié)點，可實現(xiàn)在同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。 （ 2）濕度 人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動操作，這樣就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由 PC 的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學明了地控制室內(nèi)的濕度。 （ 3）煙霧 燃氣的主要造成煙霧源，當燃氣發(fā)生泄漏時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。當系統(tǒng)檢測到煙霧濃度大于用戶設定是初值時， PC 會立即發(fā)送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC 在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。 （ 4）燈光 燈光亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)?PC，經(jīng)過處理和判斷光線強度控制窗簾的開關或燈的開關。當 光線過強時，可以控制窗簾自動合起，反之則可以控制其打開或電燈打開。 （ 5）電能質(zhì)量 電能質(zhì)量的主要指標有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。所以居民住房的電能質(zhì)量檢測有很大必要，本文使用電壓電流互感器通過 CS5460A 芯片處理數(shù)據(jù)，由單片機能出，交流電的電壓、電流、功率、頻率等。 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 系統(tǒng)設計要求 本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點，可以總結出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個方面來得以實現(xiàn)。 （ 1）低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡，節(jié)點很多，故只能 由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。 （ 2）安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯誤，則可導致 PC 判斷錯誤，導致錯誤控制。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統(tǒng)的安全性 （ 3）外觀：由于要安裝在家庭各個地點，故要求其盡量小巧，美觀。 （ 4）可擴展：能根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少節(jié)點設置 [5]。 軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統(tǒng)升級方便以備增加節(jié)點時修改其中一個模塊而其他地方無需改動；程序設計要簡單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 第 4 章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計 在 ZigBee 傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，在采集、接收、處理及發(fā)送數(shù)據(jù)進的同時，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。 根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點應具備以下功能。 (1)傳感器信號的采集和處理； (2)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)； (3)液晶顯示和鍵盤輸入； (4)RS485 通訊功能。 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成 [4]。微處理器和無線通信模塊采用支持 Zi gBee 協(xié)議，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器 DHT1 MQ2 型氣體傳感器、光照強度傳感器用光敏電阻和電能質(zhì)量檢測用電壓電流互感器和 CS5460A 芯片，電源采用交流 220V變壓整流直流 5V供電。硬件系統(tǒng)結構框圖如圖 所示。 S T C 1 2 C 5 6 0 8 A D 單 片 機整 流2 2 0 V 變 壓交 流 2 2 0電 流 電 壓互 感 器C S 5 4 6 A過 電壓 電流 等保 護7 8 0 5R S4 8 5串 口通 訊P C 上 位 機溫 度 濕 度傳 感D H T 1 1煙 霧傳 感 器M Q 2光敏電阻相應輸出控制L C D1 2 8 * 6 4液 晶顯 示 圖 硬件系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)電源電路 電源管理是對電源電壓調(diào)節(jié)和分配，為其他各模塊提供可靠和正常工作的電壓。電源模塊相當于房屋的基石，所以高性能的電源管理模塊對于 整個控制 系統(tǒng)穩(wěn)定運行實至關重要的 。電源模塊為控制單元、傳感器、控 制輸出（電機、繼電器 ）等模塊提供可靠且不同的工作 壓。在 設計過程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數(shù)而且 煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 要考慮電源使用效率、降低噪聲、復雜程度和干擾等方面優(yōu)化 [6]。如下圖 5V電源電路，家電交流 220V經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓 [7]。 圖 5V電源電路 STC12C5608AD 單片機 本系統(tǒng)采用 STC12C5620AD 系列單片機，它是 STC 生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機 [8]，是高速低功耗超抗干擾的 8051 單片機，指令代碼完全 兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。 4 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 高精度轉(zhuǎn)換。共 6 個 16 位定時器，其中兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ,16 位定時器 T0 和 T1，