【正文】 圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864,可以顯示 84 行 16x16 點陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點。 串口芯片選擇 ISL81487， ISL81487 配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過雙電荷泵，在 ，表現(xiàn)出真 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 正的 RS485 協(xié)議器件性能，這些器件電路簡單，通訊準(zhǔn)確穩(wěn)定。由電壓電流的相位差可以計算出功率因數(shù)，進一步做功率因數(shù)校正控制，若功率因數(shù)較低可以控制接通并聯(lián)電容器組。電壓電流檢測電路如下圖 所示。 使用微機監(jiān)測系統(tǒng)來輸出相 應(yīng)保護控制，即微機保護。供電系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為的故障，不能及時得到控制，將會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，造成主設(shè)備損壞、電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電，給系統(tǒng)及社會帶來嚴(yán)重的后果。光照傳感器電路如圖 所示。當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后， 光照電壓也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。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關(guān)系稱為伏安特性。 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 圖 煙霧傳感器電路 圖 蜂鳴器報警電路 光照強度傳感器 本光照電路是應(yīng)用光敏電阻的特性而設(shè)計形成的，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隨著光的強度增加 而減小。其煙霧傳感器電路如圖 所示。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。 VC 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（ RL）上的電壓（ VRL）。 該傳感器需要施加二個電壓：加熱器電壓（ VH）和測試電壓（ VC）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。連接方便，數(shù)字溫濕度傳感器 電路圖 如下所示 圖 數(shù) 字溫濕度傳感器 電路圖 煙霧傳感器 MQ2 本次設(shè)計的煙霧傳感器用 MQ2。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。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]。 圖 單片機最小系統(tǒng)的電路 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 家居環(huán)境參數(shù)采集模塊 數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11 DHT11 數(shù)字溫濕度 傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計包括的外圍模塊有：復(fù)位電路，振蕩電路 [10] 。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，沒有定時器 T2，PCA 模塊可再實現(xiàn) 4 個 16 位定時器。 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。在 設(shè)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 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]。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于 整個控制 系統(tǒng)穩(wěn)定運行實至關(guān)重要的 。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。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(shè)計。 (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。 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 第 4 章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 在 ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(wù)。 （ 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(shè)置 [5]。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。 （ 1）低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，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)。 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 系統(tǒng)設(shè)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(jié)出以下幾種要求。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。當(dāng) 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。 （ 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)。故對一氧化碳氣體濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。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(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。 （ 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。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)點進行處理，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， PC 可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對室內(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)。下面對各種參數(shù)進行如下介紹。在本設(shè)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。當(dāng)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]。本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 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)測系統(tǒng)，故根據(jù) ZigBee 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點設(shè)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)。 ZigBee 應(yīng)用層有三個不同的部分分別是：應(yīng)用支持子層、 ZigBee 設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體來向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實體和數(shù)據(jù)服務(wù)實體。下面就網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層作簡要介紹。 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)器進行通信，在 ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運作與維護著整個網(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，而路由器則對網(wǎng)絡(luò)進行擴展，終端設(shè)備的信息由路由器進行轉(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。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào) 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。 （ 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(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。 （ 1） ZigBee 協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設(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，特點是計算能力強、存儲量大。活動設(shè)備信道接入延時和休眠激活延時均僅為 15ms，而搜索設(shè)備延時時間達到 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。只有 10kb/s— 250kb/s，符合本設(shè)計需求； (6)工作頻段靈活。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 個月至 2 年的時間，這也是 ZigBee 的最大的一個優(yōu)勢； (4)網(wǎng)絡(luò)容量大。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(yīng)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。 (1) 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。 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)中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡(luò)。此外，單個 ZigBee 無線模塊就可與 254 個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持 65535 個節(jié)點設(shè)備互聯(lián)。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 協(xié)議則比藍牙技術(shù)、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 無線 局域網(wǎng)等技術(shù)更簡單而實用。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 的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息 ，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似?？偠灾?ZigBee 技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個通信，從 而實現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復(fù)雜度等的信息傳遞方式。 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 第 2 章 ZigBee 技術(shù)綜述 ZigBee 是一種基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。同時此系統(tǒng)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線對家居美觀性的損害。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口 通信、 PCB 天線等主要電路的設(shè)計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設(shè)計出了不同的傳感模塊； (3)本論文還設(shè)計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。 (1)ZigBee 協(xié)議的介紹。近年來隨著家庭裝修時工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。1999 年正式公布藍牙 版，確定了使用頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速度達 ，和紅外技術(shù)相比，藍牙有著較高的傳輸速率，而且不需要像紅外線那樣進行口對口的連接才能傳輸數(shù)據(jù)，所有的藍牙終端基本上只要在有效的范圍內(nèi)使用，就隨時可以進行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。雖然 WiFi 有覆蓋范圍較廣等特點，但是其的基帶協(xié)議和射頻協(xié)議比較復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高，而且其功耗比較大，根本上滿足不了電池供電的 要求。熱點是通過將訪問節(jié)點安裝在互聯(lián)網(wǎng)連接上來創(chuàng)建的。 WiFi或 在 頻段工作，所支持的速度達 54Mbps（ 工作在 或者 ，理論最高速度 600Mbps)。 而在 2020 年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。 ZigBee 的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。由于有線的束縛和影響，其美觀性較無線系統(tǒng)差，不利于家居 煙臺南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 的后續(xù)裝修。硬件可擴展性是有線技術(shù)方案的主要技術(shù)難點之一 [2]。 (3)系統(tǒng)可擴展性差。采用有線技術(shù)時，對各個監(jiān)測點分別進行布線將是一份復(fù)雜龐大的工作，特別是當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測對象的數(shù)量較多時更是如此，又容易破壞家庭之前裝修的完整性； (2)安裝與維護成本高。但當(dāng)采用有線技術(shù)方案時，根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點，它存在一些缺點，如下面幾項所示。另外，國內(nèi)亦有些電器廠家也在市場上推出了自主的智能家居系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)在家居環(huán)境的監(jiān)測中均可以實現(xiàn)各種功能。 目前，國內(nèi)的這些智能家居系統(tǒng)還處于萌芽的階段?，F(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品大部分是以有線網(wǎng)絡(luò)作為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，終端節(jié)點數(shù)量多而需要數(shù)量龐大的電纜，而無線通訊技術(shù)能很好的解決以上問題。 (3)系統(tǒng)靈活，當(dāng)有新的環(huán)境參數(shù)被要求測量時，系統(tǒng)的可擴展性要求靈活，方便增加節(jié)點，以降低成本 [1]。這樣才能為用戶提供全面