基于ZigBee的家居环境监测系统设计

2018-09-10李红博朱留存李明夏建琪刘文娟

计算机与网络 2018年7期

李红博朱留存李明夏建琪刘文娟

摘要：针对家庭网络的特点以及室内环境监测的要求，系统利用无线传感网络中ZigBee技术的低功耗、低成本和低复杂度等特点，用CC2530芯片、SHT11温湿度传感器及MQ-2气体传感器等节点，在ZigBee2006协议栈的基础上开发出家居终端监测系统。系统利用终端节点将采集的数据上传至协调器，协调器将数据发送到上位机，上位机可实时显示环境数据供用户观察。实验表明，利用ZigBee技术可降低系统复杂度并节约成本，实现对终端的区域化灵活控制。

关键词：无线传感网络；CC2530；传感器；监测系统

中图分类号：TP368文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）07-65-3

Design on Home Environment Monitoring System Based on ZigBee

LI Hongbo， ZHU Liucun， LI Ming， XIA Jianqi， LIU Wenjuan

（Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225000， China）

0引言

随着人们生活水平的提高，家庭居住环境受到越来越多的关注。为提高家居环境的舒适度，对环境状况的监测成了人们关注的现实技术，基本的家居环境监测包括对室内温湿度和气体的监测。家庭网络对应用之间的分布范围要求低，而对可靠性、低成本、低功耗等方面要求高，ZigBee这种短距离无线传感技术就能很好地应用于家庭网，同时它自组网自愈合的特点能提高系统的灵活性[1]，无线技术又能省去总体布线上的工作量，降低家庭布网复杂度；本文设计了基于ZigBee的温湿度和气体监测系统的方案，利用PC机上收集的从终端上传的数据，用户可远程、实时地监测家居设备和环境，从而提高用户使用的便捷性，提高人们的生活质量。

1系统总体设计方案

1.1系统结构设计

系统由无线传感网络模块和用户监测模块构成，其中无线传感网络模块包括了室内各终端节点、路由器和协调器，用户监测模块为上位机监测[2]，总体结构如图1所示，终端节点将采集到的数据传输给协调器，协调器通过串口与上位机相连后上传或者接收数据，用户监测模块则可以实时显示从终端上传的数据。

1.2系统网络拓扑研究

ZigBee支持星型、树型和网状3种网络拓扑结构[3]。协调器是3种网络拓扑结构中必不可少的，负责发起和维持网络，保障各节点之间的信息传输。在树型和网状网络拓扑结构中，路由设备则起到了扩大网络覆盖范围的作用，相比于星型网，网络覆盖范围可以增加到10倍以上[4]。考虑到家庭网络覆盖范围较小以及节约存储空间及成本等方面，系统采用树型网络拓扑结构，如图2所示。

2系统硬件设计

系统的无线通信模块选用的是德州仪器公司推出的CC2530芯片，能支持的可编程闪存达8 KB RAM，输出功率可达4.5 dBm[5]，灵敏度高、抗干扰性强，结合德州仪器的网络协议栈Z-Stack，可以提高开发效率；另外，它有多种供电模式，能有效降低能源消耗，满足家庭无线网络中超低功耗的需求。

系统的终端节点模块主要由SHT11温湿度传感器、MQ-2气体传感器、继电器和蜂鸣器组成，2种传感器的技术参数如表1所示。

①SHT11集成了温度和湿度2种传感器，具有高精度、高反应速度及体积小等特点，与CC2530连接之后就能采集温湿度，操作简单。

②MQ-2传感器可以监测室内液化气、甲烷、丁烷及烟雾等气体，对它设定气体阀值之后，若气体浓度在设定的阀值以下，则输出高电平，模拟接口的电压显示为低电压；若气体浓度超过限定阀值，数字接口输出低电平，电压值则会变大，由此驱动继电器控制气体开关和蜂鸣器进行报警。

3系统软件设计

3.1 ZigBee协议的实现

ZigBee协议是一种短距离无线通信协议[6]，低功耗和低成本的特点满足家庭网络应用的要求。系统下位机软件程序是基于德州仪器公司推出的Z-Stack协议栈，利用IAR集成开发环境开发的。其中，Z-Stack协议栈中的路由协议可以解决协调器的网络组建问题，而调用Z-Stack协议栈中的API可以完成协调器与上位机之间的通信。

3.2 ZigBee节点的软件设计

协调器节点主要负责组建和维持网络，组建网络成功后，协调器节点的LCD屏上会显示网络ID号并对终端节点发来的入网请求作出响应。若协调器地址空间未满，它就会给终端节点分配网络地址，接收终端节点发来的数据并通过串口与上位机通信，通过中断返回，形成一套循环监测机制，实时监控数据[7]。协调器节点软件操作流程如图3所示。

终端设备初始化之后，寻找可用的ZigBee网络并发送入网请求，当收到协调器响应之后，终端节点将地址ID发送给协调器。入网后，终端周期性地将采集的数据发送给协调器，终端节点软件操作流程如图4所示。

4测试结果与分析

上位机是利用Visual C++6.0开发的监测平台，功能主要是实时显示温度和湿度，并显示出温湿度的趋势走向图，同时显示监测的气体状态。设备上电之后，将电暖器接近传感器后离开，温度变化曲线如图5所示，将加湿器接近传感器后迅速离开，湿度变化曲线如图6所示。预先设定好预警值后，气体传感器监测空气中的气体浓度，上位机平台根据气体浓度是否超过预警值，显示气体状态。