【文章內容簡介】 之間通信，包括獲取網絡地址等。在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網時有三種網絡拓撲結構可供選擇：星型結構，網狀結構和簇樹型結構。 ZigBee網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)調器進行通信，在ZigBee協(xié)調器則負責運作與維護著整個網絡；在簇狀和網狀網絡結構中，協(xié)調器負責初始化和建立網絡的操作，而路由器則對網絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉發(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)調器，再由協(xié)調器將信息分發(fā)下去。 ZigBee協(xié)議分析，規(guī)定了ZigBee協(xié)議的網絡層與應用層協(xié)議規(guī)范。下面就網絡層與應用層作簡要介紹。ZigBee網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，并且為應用層提供適合的服務接口。網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據服務實體。應用層主要由用戶根據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)現此節(jié)點工作空間范圍內其他節(jié)點的工作，再根據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。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、無線網絡技術和計算機等技術的綜合運用，得以實現對家庭環(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絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，故根據ZigBee技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調器節(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)調器進行信息的交換；協(xié)調器則通過串口 進行相連通信。 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)調器節(jié)點主要負責的是網絡的建立、終端節(jié)點管理、數據處理和對PC端的數據通信。當然在實踐過程中可以根據家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內容，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)點的方法來保證網絡的連通性，相反區(qū)域較小時可以根據情況減少路由器節(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)境參數以實現對環(huán)境信息的全面監(jiān)測，從而為用戶的準確決策提供參考。下面對各種參數進行如下介紹。（1）溫度濕度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)調器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調器將處理結果數據通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數和程序對空調系統(tǒng)進行控制，從而實現對室內溫度的控制，當然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內。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。目前人們經常是通過普通的加濕器來調節(jié)室內濕度，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。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器則將信息傳輸到PC，經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）電能質量電能質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)質供電，包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。所以居民住房的電能質量檢測有很大必要，本文使用電壓電流互感器通過CS5460A芯片處理數據，由單片機能出，交流電的電壓、電流、功率、頻率等。 系統(tǒng)設計要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現各種功能，根據此特點，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。（1）低功耗：由于是無線傳感網絡，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。（2）安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數據采集，若出現錯誤，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，數據傳輸格式要統(tǒng)一。第4章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計在ZigBee傳感器網絡中，傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，在采集、接收、處理及發(fā)送數據進的同時，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、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)無線數據的發(fā)送或轉發(fā)；(3)液晶顯示和鍵盤輸入；(4)RS485通訊功能。無線傳感器網絡的節(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ZigBee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DHT1MQ2型氣體傳感器、光照強度傳感器用光敏電阻和電能質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)結構框圖電源管理是對電源電壓調節(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而且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]。 5V電源電路，家電交流220V經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓[7]。 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/計數器,16位定時器T0和T1，沒有定時器T2，PCA模塊可再實現4個16位定時器。SPI同步通信口，主模式/從模式同步通信口[9]。單片機最小系統(tǒng)的設計包括的外圍模塊有：復位電路，振蕩電路[10] 。 單片機最小系統(tǒng)的電路 家居環(huán)境參數采集模塊 數字溫濕度傳感器DHT11DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[11]。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。連接方便， 數字溫濕度傳感器電路圖 煙霧傳感器MQ2本次設計的煙霧傳感器用MQ2。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號[11]。該傳感器需要施加二個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路VCC。為更好利用傳感器的性能，需要調節(jié)可調電阻Rp恰當的RL值。當檢測到煙霧控制器輸出報警。 煙霧傳感器電路 蜂鳴器報警電路 光照強度傳感器本光照電路是應用光敏電阻的特性而設計形成的，根據光敏電阻的工作原理，當有光照是光敏電阻的阻值會隨著光的強度增加而減小。把光敏電阻采樣得到的電壓值經過LM358進行電壓放大，然后進行濾波后送到單片機進行處理。光敏電阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的