【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(fù)責(zé)開發(fā) ZigBee 協(xié)議物理層和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 工作組。 ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。 ZigBee 協(xié)議則比藍(lán)牙技術(shù)、高速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)或 無線 局域網(wǎng)等技術(shù)更簡(jiǎn)單而實(shí)用。ZigBee 使用的是 波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍(lán)牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee 協(xié)議比藍(lán)牙更簡(jiǎn)單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。 ZigBee 的基本速率是，傳輸半徑可擴(kuò)大到 400 米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個(gè) ZigBee 無線模塊就可與 254 個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持 65535 個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)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(biāo)、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動(dòng)化儀器等低速率應(yīng)用時(shí)可以比藍(lán)牙做地更好，人們 更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 領(lǐng)域拓展 ZigBee 的應(yīng)用。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信以一跳或多跳的形式自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則以 ZigBee 協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。 (1) 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。其設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當(dāng)添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)可以自行尋找其他節(jié)點(diǎn)替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)力都很強(qiáng)，好多公司均已在 2020 年正式推出自己的 ZigBee 芯片，競(jìng)爭(zhēng)較大，近年來應(yīng)用于主機(jī)端的芯片成本將會(huì)比藍(lán)牙等模塊更具價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。 (3)功耗低。它的超低功耗也使得在應(yīng)用中兩節(jié)普通 AAA 干電池即可使用 6 個(gè)月至 2 年的時(shí)間，這也是 ZigBee 的最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)； (4)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè) ZigBee 設(shè)備可以與另外 254 臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備相連接，而加入路由節(jié)點(diǎn)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可容納多達(dá) 65000 多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)； (5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有 10kb/s— 250kb/s，符合本設(shè)計(jì)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(guó)則使用 915MHz 頻段，但這些均是免申請(qǐng)頻段，可以直接使用； (7)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短?；顒?dòng)設(shè)備信道接入延時(shí)和休眠激活延時(shí)均僅為 15ms，而搜索設(shè)備延時(shí)時(shí)間達(dá)到 30ms； 根據(jù) ZigBee 聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為三種： ZigBee協(xié)調(diào)器， ZigBee 路由器， ZigBee 終端設(shè)備。他們的功能分別如下。 （ 1） ZigBee 協(xié)調(diào)器：它是個(gè)全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是 3 種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立并且管理一個(gè)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息并且不斷地接收下級(jí)節(jié)點(diǎn)所發(fā)來的信息。 （ 2） ZigBee 路由器：它也是全功能設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會(huì)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(jí)節(jié)點(diǎn)使用，方便每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。 （ 3） ZigBee 終端設(shè)備：其一般的簡(jiǎn)化的功能設(shè)備。只能自己的與上一級(jí)如協(xié)調(diào) 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。在 ZigBee 協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時(shí)有三種網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇樹型結(jié)構(gòu)，圖 所示。 圖 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 在星狀結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，在 ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，而路由器則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) ,只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級(jí)級(jí)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(chǔ)之上， 規(guī)定了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。下面就網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層作簡(jiǎn)要介紹。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保正常工作，同時(shí)定義了一些必須的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體來向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。 應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點(diǎn)的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點(diǎn)工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的工作，再根據(jù)服務(wù)的需求為各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。 ZigBee 應(yīng)用層有三個(gè)不同的部分分別是：應(yīng)用支持子層、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 第 3 章 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案 本文的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的綜合運(yùn)用，得以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而間接地為用戶創(chuàng)造一個(gè)健康的，適宜居的，舒適的家居環(huán)境。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本論文是基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，故根據(jù) ZigBee 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和 PC 組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線技 術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換；協(xié)調(diào)器則通過串口 進(jìn)行相連通信。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和對(duì) PC 端的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)然在實(shí)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(cè)的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)，而只需做小許改動(dòng)即可 [4]。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小時(shí)可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。在本設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，本人只象征性的做了一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)演示。 系統(tǒng)功能定義 本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)主要檢測(cè)家庭環(huán)境中以下一些環(huán)境參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的全面監(jiān)測(cè)，從而為用戶的準(zhǔn)確決策提供參考。下面對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行如下介紹。 （ 1）溫度濕度 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 人體對(duì)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(duì)人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)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(shè)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(diǎn)進(jìn)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到 PC，此時(shí)， PC 可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)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(gè)房間可以多放幾個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)房間進(jìn)行多點(diǎn)的溫度信息采集，以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。 （ 2）濕度 人類對(duì)濕度雖然不是特別敏感，但其時(shí)時(shí)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(dòng)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(duì)濕度信息的采集，再經(jīng)由 PC 的處理后，對(duì)加濕器進(jìn)行控制，即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。 （ 3）煙霧 燃?xì)獾闹饕斐蔁熿F源，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí)，就會(huì)對(duì)家庭人員生命帶來威脅。故對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)也是必不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到煙霧濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí)， PC 會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警，PC 在啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開窗，以達(dá)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(cè)可以利用分布在各個(gè)房間里的光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)?PC，經(jīng)過處理和判斷光線強(qiáng)度控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當(dāng) 光線過強(qiáng)時(shí)，可以控制窗簾自動(dòng)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(biāo)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(cè)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(jī)能出，交流電的電壓、電流、功率、頻率等。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點(diǎn)，可以總結(jié)出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個(gè)方面來得以實(shí)現(xiàn)。 （ 1）低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)很多，故只能 由電池供電，故要求低功耗以延長(zhǎng)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(cuò)誤，則可導(dǎo)致 PC 判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)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(gè)地點(diǎn)，故要求其盡量小巧，美觀。 （ 4）可擴(kuò)展：能根據(jù)用戶的不同需求，隨時(shí)增加或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)置 [5]。 軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)升級(jí)方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無需改動(dòng)；程序設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 第 4 章 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在 ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jìn)的同時(shí)，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備以下功能。 (1)傳感器信號(hào)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(luò)的節(jié)點(diǎn)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(gòu)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(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。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(qiáng)度傳感器用光敏電阻和電能質(zhì)量檢測(cè)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(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 S T C 1 2 C 5 6 0 8 A D 單 片 機(jī)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(hù)7 8 0 5R S4 8 5串 口通 訊P C 上 位 機(jī)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(yīng)輸出控制L C D1 2 8 * 6 4液 晶顯 示 圖 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)電源電路 電源管理是對(duì)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(dāng)于房屋的基石，所以高性能的電源管理模塊對(duì)于 整個(gè)控制 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)至關(guān)重要的 。電源模塊為控制單元、傳感器、控 制輸出（電機(jī)、繼電器 ）等模塊提供可靠且不同的工作 壓。在 設(shè)計(jì)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(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 要考慮電源使用效率、降低噪聲、復(fù)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(jī) 本系統(tǒng)采用 STC12C5620AD 系列單片機(jī)，它是 STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī) [8]，是高速低功耗超抗干擾的 8051 單片機(jī)，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(gè) 16 位定時(shí)器，其中兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16 位定時(shí)器 T0 和 T1，