【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(shù)型結(jié)構(gòu)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖在星狀結(jié)構(gòu)中無(wú)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(guò)在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過(guò)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，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(lái)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(kāi)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。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(guò)對(duì)傳感器技術(shù)、無(wú)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(wú)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(guò)無(wú)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(guò)串口 進(jìn)行相連通信。 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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)普通的加濕器來(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)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(lái)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)絇C，經(jīng)過(guò)處理和判斷光線強(qiáng)度控制窗簾的開(kāi)關(guān)或燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)光線過(guò)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(kāi)或電燈打開(kāi)。（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(guò)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。 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(lái)得以實(shí)現(xiàn)。（1）低功耗：由于是無(wú)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(wú)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。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(lái)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(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)；(3)液晶顯示和鍵盤(pán)輸入；(4)RS485通訊功能。無(wú)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(wú)線通信模塊和電源模塊構(gòu)成[4]。微處理器和無(wú)線通信模塊采用支持ZigBee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DHT1MQ2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(guò)程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數(shù)而且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]。 5V電源電路，家電交流220V經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓[7]。 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，沒(méi)有定時(shí)器T2，PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)4個(gè)16位定時(shí)器。SPI同步通信口，主模式/從模式同步通信口[9]。單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括的外圍模塊有：復(fù)位電路，振蕩電路[10] 。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路 家居環(huán)境參數(shù)采集模塊 數(shù)字溫濕度傳感器DHT11DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[11]。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。連接方便， 數(shù)字溫濕度傳感器電路圖 煙霧傳感器MQ2本次設(shè)計(jì)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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[11]。該傳感器需要施加二個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測(cè)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(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)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(gè)電源電路VCC。為更好利用傳感器的性能，需要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rp恰當(dāng)?shù)腞L值。當(dāng)檢測(cè)到煙霧控制器輸出報(bào)警。 煙霧傳感器電路 蜂鳴器報(bào)警電路 光照強(qiáng)度傳感器本光照電路是應(yīng)用光敏電阻的特性而設(shè)計(jì)形成的，根據(jù)光敏電阻的工作原理，當(dāng)有光照是光敏電阻的阻值會(huì)隨著光的強(qiáng)度增加而減小。把光敏電阻采樣得到的電壓值經(jīng)過(guò)LM358進(jìn)行電壓放大，然后進(jìn)行濾波后送到單片機(jī)進(jìn)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