基于ZigBee的智能家居溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

鄔春明，楊文月，程 亮

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著我國國力的不斷增強，人民的居住環(huán)境也在日新月異的科學(xué)發(fā)展中不斷改善，而家居安防系統(tǒng)已成為家居智能化的重要組成部分。要避免失火，煤氣泄漏這類事件的發(fā)生或者將事故的損失降到最低，傳統(tǒng)的人防保安方式已難以適應(yīng)住戶的要求，利用先進(jìn)的計算機、通訊與網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為居民提供成本低廉，安全性強的安全防護(hù)系統(tǒng)，已成為家居安防系統(tǒng)發(fā)展的必然。溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)作為家居安防系統(tǒng)的子系統(tǒng)，對家庭內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生起到預(yù)警作用。本文設(shè)計的無線溫濕度檢測系統(tǒng)中，終端節(jié)點由CC2430芯片和數(shù)字溫濕度傳感器SHT10構(gòu)成，通過ZigBee實現(xiàn)無線通信，數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送至上位機進(jìn)行處理。該系統(tǒng)能實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送，并能在上位機顯示。

1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

家庭安防系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇一般以下面兩個方面作為依據(jù):一是組建網(wǎng)絡(luò)的性能要求，如數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等;一是能否滿足用戶的功能需求。從技術(shù)角度上看，目前家居安防系統(tǒng)組網(wǎng)的實現(xiàn)方式主要有三大類別:有線技術(shù)、電力載波(PLC)技術(shù)、無線技術(shù)。

傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)一般采用有線方式組建，包括以Lon Works、CEBus、RS485、CAN Bus、Ethernet等技術(shù)支持的總線方式和以X-10協(xié)議支持的電力載波方式。有線方式具有網(wǎng)絡(luò)抗干擾性好，容量大、速率高等特點，但布線麻煩，影響美觀，系統(tǒng)擴展性差，系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高，移動性差。ZigBee技術(shù)作為一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線技術(shù)，更適合于家庭自動化、安全保障系統(tǒng)及進(jìn)行低速率傳輸?shù)牡统杀驹O(shè)備之間。

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)作為家居安防系統(tǒng)的子系統(tǒng)，對家庭內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生起到預(yù)警作用。本文基于CC2430和數(shù)字溫濕度傳感器SHT10，設(shè)計了一個監(jiān)測溫濕度終端節(jié)點，使用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)溫濕度的無線檢測。溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)主要由三個單元構(gòu)成:溫濕度傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點和上位機。其中溫濕度傳感器節(jié)點由溫濕度傳感器SHT10與CC2430射頻收發(fā)裝置組成，采集的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)通過ZigBee無線射頻方式發(fā)到協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點再通過RS232串口線將數(shù)據(jù)傳給上位機做進(jìn)一步處理和顯示。協(xié)調(diào)節(jié)點與傳感器節(jié)點可以采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信，可以同時監(jiān)測多個區(qū)域，何時監(jiān)測哪個區(qū)域由協(xié)調(diào)節(jié)點來控制。當(dāng)被檢測區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調(diào)節(jié)點距離傳感器節(jié)點較遠(yuǎn)時，亦可采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即通過增加路由器節(jié)點來增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

本文設(shè)計的家庭ZigBee安防網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低、具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(sensor node)組成的。每一個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊(數(shù)字傳感器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和電源模塊等組成。

無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可分為協(xié)調(diào)節(jié)點和無線終端節(jié)點兩大部分。每個節(jié)點都配CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司(已在2006年被美國德州儀器TI公司收購)推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它是世界上首個真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個真正意義上SoC。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。協(xié)調(diào)節(jié)點的CC2430芯片經(jīng)RS232串口線連接上位機，而無線終端節(jié)點通過CC2430的I/O口連接數(shù)字傳感器采集信息。CC2430的應(yīng)用電路原理圖如圖2所示。

圖2 CC2430的應(yīng)用電路原理圖

本系統(tǒng)的溫濕度傳感器采用集成溫濕度傳感器SHT10。封裝格式采用DHT90，即將傳感器器件SHT10和信號處理集成在一塊微型電路板上，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號。傳感器采用專利的CMOSens?技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。DHT90的供電電壓范圍為2.4-5.5V。DHT90的串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理;傳感器不能按照I2C協(xié)議編址，但是:如果I2C總線上沒有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C總線上，但單片機必須按照傳感器的協(xié)議工作。SCK用于微處理器與DHT90之間的通訊同步，DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。SHT10與CC2430連接電路原理圖如圖3所示。

圖3 SHT10與CC2430連接電路原理圖

3 節(jié)點軟件設(shè)計

無線溫濕度檢測系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)包括兩部分:ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點和溫濕度傳感器節(jié)點。ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點的主要作用是組建一個網(wǎng)絡(luò)、接受終端節(jié)點入網(wǎng)和發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機。首先對協(xié)調(diào)節(jié)點進(jìn)行初始化(包括處理器、協(xié)議棧、中斷、串口等);之后新建一個網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和等待狀態(tài)，當(dāng)收到子節(jié)點的入網(wǎng)請求后，協(xié)調(diào)節(jié)點先隨機為子節(jié)點分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，然后向子節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)信息，建立連接后等待接收終端節(jié)點發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)接收成功后發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機。

溫濕度傳感器節(jié)點作為終端節(jié)點，負(fù)責(zé)采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。首先溫濕度傳感器SHT10用一組啟動傳輸時序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)，釋放DATA線，等SHT10下拉DATA至低電平，表示測量結(jié)束，同時接收數(shù)據(jù)，完成初始化過程;之后節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，加入網(wǎng)絡(luò)成功后進(jìn)入空閑狀態(tài)待定時時間到進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并向其協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送，如果發(fā)送失敗繼續(xù)嘗試，直到發(fā)送成功為止。軟件流程圖如圖4所示，圖4(a)為ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點的軟件流程圖，圖4(b)為溫濕度傳感器節(jié)點的軟件流程圖。

圖4 節(jié)點軟件流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，作為家居安防系統(tǒng)的子系統(tǒng)。以低成本、低功耗無線單片機CC2430為核心，采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT10獲取數(shù)據(jù)，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，檢測精度高，且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活、方便等特點。利用ZigBee實現(xiàn)家居安防系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)的無線化，免去了布線帶來的麻煩，整體上節(jié)約了系統(tǒng)的成本，有很強的實用性。

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