基于ZigBee的家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

徐小玲，劉美

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名　525000）

基于ZigBee的家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

徐小玲，劉美

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名525000）

文中提出一種靈活的，獨立的，低成本的智能家居系統(tǒng)，以ZigBee無線通信構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)為核心，GSM移動通信為輔，實現(xiàn)對多個傳感器采集的信息綜合處理，通過GSM模塊發(fā)送短信，傳遞環(huán)境信息，根據(jù)相應(yīng)的控制信息實現(xiàn)各自的響應(yīng)。實驗證明，系統(tǒng)設(shè)計達到預(yù)期的設(shè)計指標，滿足系統(tǒng)的要求。

ZigBee；家居監(jiān)控；GSM；CC2430

隨著電子技術(shù)的融合和家庭自動化領(lǐng)域的擴大，智能家居為忙碌的家庭和有物理局限的個人描繪了一個有吸引力的家庭自動化和網(wǎng)絡(luò)的市場，提出了各種智能系統(tǒng)的控制。其中，藍牙的功能不錯，目前安裝于便攜式電腦/筆記本電腦、平板電腦、手機內(nèi)置適配器。不過藍牙限制了環(huán)境范圍的控制，大多數(shù)其他系統(tǒng)實現(xiàn)低成本的解決方案不太可行。在基于WiFi的家庭自動化系統(tǒng)[1]中，它使用一個基于web服務(wù)器管理連接設(shè)備的電腦（內(nèi)置WiFi卡）。用戶可以管理和控制本地系統(tǒng)（LAN）或遠程網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)支持范圍廣泛的家用自動化設(shè)備。其他報道如[2-5]也提出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成的專用的web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和web網(wǎng)頁連接和管理設(shè)備。這些系統(tǒng)使用PC直接導(dǎo)致成本和功耗的增加。文獻[6]提出一個基于語音激活無線自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。用戶使用麥克風通過無線射頻（RF）鏈接到主控制接受單元發(fā)送和處理的語音命令，由單片機處理執(zhí)行所需的操作。缺點是系統(tǒng)只能控制在射頻范圍內(nèi)。文獻[7]采用一個聲音激活的智能家居自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了圖形用戶界面（GUI），使用由PC機運行的微軟VB軟件，并使用微軟語音識別引擎。相對于通過射頻鏈路傳播信號的單片機界面上的設(shè)備來說，再次增加了電腦的成本和功耗。

隨著手機用戶的急劇增加，手機已經(jīng)逐漸成為一個萬能的便攜式設(shè)備，為人們提供日常的使用。其次，針對當前市場，ZigBee[8-10]在家居安防，照明控制，智能大廈以及醫(yī)療監(jiān)控等方面具有獨特的優(yōu)勢，能更好地滿足用戶在這方面的需求，因此，本文提出了一個低成本的用于控制和檢測家庭環(huán)境的智能系統(tǒng)。系統(tǒng)以Zigbee無線通信構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)為核心，GSM移動通信為輔，實現(xiàn)對多個傳感器采集的信息綜合處理，通過GSM模塊發(fā)送短信，傳遞環(huán)境信息，根據(jù)相應(yīng)的控制信息進行各自的響應(yīng)（如燈的開關(guān)等）。本系統(tǒng)主要功能：1）監(jiān)控家居環(huán)境的煤氣泄漏情況實現(xiàn)報警及GSM通知；2）采集光照度，根據(jù)光照度信息驅(qū)動步進電機，帶動窗簾的開合，改變窗戶的進光量；3）根據(jù)人體紅外傳感器進行安防探測，從而給出報警信息；4）監(jiān)測室內(nèi)照明度，據(jù)此控制節(jié)點進行燈光的調(diào)整。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)形成星形組網(wǎng)。終端節(jié)點為簡化功能設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，只能與協(xié)調(diào)器直接通信。協(xié)調(diào)器是整個系統(tǒng)的核心部分，負責一個PAN區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建立及管理。同時負責接收，顯示和處理傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。

1.1協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器不僅能夠主動請求所有節(jié)點信息，而且需要控制每個節(jié)點的狀態(tài)，各個節(jié)點能夠及時的將自己的狀態(tài)信息返回給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件采用TI-CC2430超低功耗處理器。CC2430系統(tǒng)時鐘由32 MHz的無源晶振提供，休眠時使用32.768 kHz的無源晶振。同時，系統(tǒng)的復(fù)位電路與RESET引腳相連，可在必要時初始化系統(tǒng)。選用低成本NOKIA 5510 48×84點矩陣LCD液晶顯示。PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動48×84的圖形顯示。所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只須很少外部元件且功耗小。它與微控制器的接口使用串行總線。系統(tǒng)設(shè)置菜單，方便顯示和管理各個節(jié)點信息。其次采用USB供電，可以從任意USB口接入5 V電源，5 V電源入到AMS1117-3.3的三端線性穩(wěn)壓電路中，固定輸出電壓為3.3 V。其中AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，供電電路如圖1所示。

圖1　供電電路Fig.1　Power supply circuit

1.2終端節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)有一共有7個終端節(jié)點。如圖2所示終端節(jié)點的通用硬件框圖。

1）溫度傳感器模塊

溫度測量采用DS18B20，它在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。其接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，溫與CC2430的P1_3相接，將采集到的溫度信息，送到CC2430后在LCD上面顯示。系統(tǒng)設(shè)置顯示的溫度范圍是0～100℃。

圖2　終端節(jié)點通用硬件框圖Fig.2　Terminal node general hardware block diagram

2）煙霧傳感器節(jié)點

系統(tǒng)使用MQ2煙霧傳感器作為燃氣泄露檢測裝置。煙霧傳感器原理圖如3所示，其工作電壓是5 V，探測到煙霧的時候信號燈D2點亮。電路具備模擬輸出與數(shù)字輸出，隨著煙霧濃度由高到低，模擬電壓也由高到低。電位器可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生報警的煙霧濃度的臨界值。

用LM358運放構(gòu)成電壓比較器，模擬量AOUT_MQ2作為反向端，調(diào)節(jié)電位器RP3可以微調(diào)AOUT_MQ2的值。同樣，同相端接在RP1，可調(diào)。兩個電位器就可以調(diào)節(jié)數(shù)字量DOUT_MQ2的臨界煙霧濃度。系統(tǒng)將模擬量輸出連接到CC2430的AD采樣通道P0_7，轉(zhuǎn)換讀取到的煙霧濃度值與系統(tǒng)設(shè)定值比較，若大于臨界值則發(fā)出報警信號。

3）紅外報警節(jié)點

節(jié)點使用DYP-ME003人體感應(yīng)模塊做為人體探測傳感器，人進入其感應(yīng)范圍輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。它是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。該模塊能夠調(diào)節(jié)感應(yīng)靈敏度，能夠調(diào)節(jié)延時時間，以適應(yīng)應(yīng)用的需要。將紅外熱釋電傳感器輸出號則觸發(fā)報警。

圖3　煙霧傳感器電路Fig.3　Smoke sensor circuit

4）照度傳感節(jié)點

采用光敏電阻作為照度傳感器，其電路較為簡單，隨著光強的增加，光敏電阻減少，輸出電壓OUT逐漸降低。因而可以根據(jù)OUT的電壓的高低計算照度的大小。系統(tǒng)采集到照度信息后，開關(guān)電燈，驅(qū)動步進電機，帶動窗簾的開合，改變窗戶的進光量。照度傳感器輸出連接到CC2430的AD采樣通道P0_7，轉(zhuǎn)換讀取到的照度值。

5）排氣扇節(jié)點

本系統(tǒng)為演示方便，使用直流5 V驅(qū)動的筆記本扇熱風扇，使用NPN9014與PNP9012組合為復(fù)合管，控制端CTL連接CC2430 P2_2。一旦檢測到煤氣泄漏，協(xié)調(diào)器就會發(fā)送信號到節(jié)點，開啟排氣扇。

6）窗簾節(jié)點

圖4　窗簾驅(qū)動電路Fig.4　The curtain driver circuit

系統(tǒng)采用四相步進電機驅(qū)動窗簾，驅(qū)動電路如圖4所示。UL2003接1B-4B接CC2430的P0_1-P0_4。驅(qū)動采用查表的方式，輸出不同的驅(qū)動信號驅(qū)動步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制窗簾開合。

7）GMS模塊

GSM模塊在無線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用無處不在。系統(tǒng)通過結(jié)合GSM模塊，可以實時將環(huán)境中的一些突發(fā)情況發(fā)送到手機上，使應(yīng)用者可遠在異地了解到發(fā)生的事情，從而可以根據(jù)各種情況發(fā)送相關(guān)的控制信息到控制裝置，進而控制相應(yīng)的設(shè)備。系統(tǒng)通過CC2430協(xié)調(diào)器的串口0與GSM模塊相連，發(fā)送報警信息，接收短信控制設(shè)備。GSM的硬件電路采用如圖5所示的電源供電。

供電電源采用標配的12 V/2 A輸入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM2576穩(wěn)壓成5 V電壓輸出，輸出與輸入部分均采取電容濾波，濾除干擾，輸出由大電容儲能，5 V電源輸出由LED指示燈指示。GSM核心TC35的外接如圖6所示，與SIM卡的連接如圖7所示。

這三者之間通過跳線帽可以切換三者之間的通信，通過連接可以實現(xiàn)GSM與MCU之間的通信或GSM與PC電腦之間的通信連接。

2　程序設(shè)計

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點的狀態(tài)信息并報警或顯示，發(fā)送命令控制節(jié)點的狀態(tài)。協(xié)調(diào)器應(yīng)用層的程序包括安防、電器控制、傳感、無線數(shù)據(jù)傳輸和人機交互模塊的等模塊。

圖5　GSM硬件電路Fig.5　GSM hardware circuit

終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)采集，報警或顯示，發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點應(yīng)用層的程序主要包括傳感、報警、無線數(shù)據(jù)傳輸和人機交互模塊。

系統(tǒng)在斯凱科技ZigBee開發(fā)套件基礎(chǔ)中設(shè)計中完成，程序設(shè)計中，Z-STACK是一個基本的輪詢操作系統(tǒng)，ZSTACK的main函數(shù)位于ZMain.c，總體來說主要完成兩部分工作，一是系統(tǒng)初始化，二是執(zhí)行操作系統(tǒng)實體。系統(tǒng)啟動代碼需要完成初始化硬件平臺和軟件架構(gòu)所需要的各個模塊，為操作系統(tǒng)的運行做好準備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片工作電壓、初始化堆棧、初始化各個硬件模塊、初始化FLASH存儲、形成MAC地址、初始化非易失變量、初始化MAC層協(xié)議、應(yīng)用幀層協(xié)議及操作系統(tǒng)等。啟動代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準備工作后，執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并徹底將控制權(quán)移交給操作系統(tǒng)。通過不斷查詢每個任務(wù)是否發(fā)生，若發(fā)生，則執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，沒有發(fā)生就查詢下一個任務(wù)。

2.1協(xié)調(diào)器組網(wǎng)

模塊程序中協(xié)調(diào)器建網(wǎng)的過程如圖8所示。系統(tǒng)協(xié)調(diào)器建網(wǎng)過程，系統(tǒng)在TI-ZSTACK協(xié)議棧的基礎(chǔ)上加以開發(fā)，快速實現(xiàn)目的功能。系統(tǒng)協(xié)調(diào)器建網(wǎng)過程，在zb_HandleKeys函數(shù)中添加處理程序，定義事件MY_START_EVT，用于啟動設(shè)備的協(xié)議棧，使設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點需要在上電后立即搜尋并加入網(wǎng)絡(luò)，直接在ZB_ENTRY_EVENT事件的處理程序中執(zhí)行zb_StartRequest（）。

圖6　TC35的外接電路Fig.6　External circuit of TC35

圖7　與SIM卡連接電路Fig.7　Connecting circuit with SIM card

圖8　協(xié)調(diào)器建網(wǎng)Fig.8　Networking of coordinator node

2.2終端節(jié)點

終端節(jié)點在系統(tǒng)加入網(wǎng)絡(luò)后，增加新的事件，用于觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新和液晶顯示。終端節(jié)點在上電后立即搜尋并加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點添加的事件有：更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)點狀態(tài)檢測，節(jié)點上的無線收發(fā)芯片采用簡單的定時發(fā)送，發(fā)送內(nèi)容為存在信息，包括自己的位長地址，發(fā)送時鐘的分鐘數(shù)，并實現(xiàn)將存在信息向最近的路由節(jié)點的傳輸。路由節(jié)點作為定位節(jié)點的父節(jié)點，當接收到定位節(jié)點發(fā)出的存在信息時，將該定位信息加上自己的地址信息，并將此信息路由跳傳至接入節(jié)點。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點之間通信主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收，通信的主要內(nèi)容是節(jié)點狀態(tài)信息或報警信息。在發(fā)送數(shù)據(jù)中，以燈節(jié)點為例，數(shù)據(jù)發(fā)送過程中首先定義節(jié)點信息的結(jié)構(gòu)體，獲取燈的開關(guān)狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，這里協(xié)調(diào)器不僅能夠主動請求所有節(jié)點信息，而且需要控制每個節(jié)點的狀態(tài)，各個節(jié)點必須能夠及時的將自己的狀態(tài)信息返回給協(xié)調(diào)器，并保存節(jié)點信息。其中，協(xié)調(diào)器與每一個設(shè)備的操作可以對應(yīng)一個命令。

2.3GSM發(fā)送與接收

MCU可以通過正確的AT指令對TC35模塊進行初始化和短消息的接收發(fā)送。對短消息的控制共有3種模式：Block模式、PDU模式和Text模式。系統(tǒng)使用PDU模式進行短消息的接收和發(fā)送。MCU通過系列AT指令對短消息進行控制。利用MCU的中斷等功能可對外界的突發(fā)事件進行監(jiān)測。中斷源產(chǎn)生中斷后，MCU應(yīng)用系統(tǒng)就會發(fā)出指令執(zhí)行相應(yīng)的報警程序。報警信息通過SMS形式發(fā)到用戶手機上，使用戶采取相應(yīng)的處理措施。用戶可將SIM卡上電話簿的第一個號碼設(shè)為報警號碼，應(yīng)用系統(tǒng)的中斷源產(chǎn)生中斷，以短信息的形式將報警信息發(fā)給報警號碼，從而實現(xiàn)向用戶報警的目的。

3　結(jié)　論

本文以Zigbee為主，結(jié)合GSM完成家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，在硬件設(shè)計方面包括電源模塊、GSM模塊、液晶顯示、煙霧報警模塊、紅外報警模塊，光照監(jiān)測模塊、溫度檢測模塊以及通訊距離測試，通過測試，各個模塊均能正常工作，均達到預(yù)期的設(shè)計指標，滿足系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)在由于其靈活性高因此在后期可以適時地加入一些新的節(jié)點，實現(xiàn)根據(jù)相關(guān)的量度去進行調(diào)控；

在Zigbee日益完善的未來，項目具有安裝布置靈活、安裝費用低廉和可移動性的特點，更容易構(gòu)建一個無線局域系統(tǒng)?？蓱?yīng)用在例如無人值守的倉庫管理與現(xiàn)場監(jiān)控、無線自動售貨機監(jiān)控、灌區(qū)流量遙測系統(tǒng)等眾多方面。

[1]ElShafee A，Hamed K A.Design and Implementation of a WiFi Based Home Automation System[J]，World Academy of Science，Engineering and Technology，2012，68:2177-2180.

[2]AAlkar A Z，Buhur U.An internet based wireless homeautomation system for multifunctional devices[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2005，51:1169-1174.

[3]Liang N S，F(xiàn)u L C，Wu C L.An integrated，flexible，and Internet-based control architecture for home automation system in the Internet era[J].IEEE International Conference on Robotics and Automation，Washington，DC 2002:1101-1106.

[4]Rajabzadeh A，Manashty A R，Jahromi Z F.A Mobile Application for Smart House Remote Control System[J]. World Academy of Science，Engineering and Technology，2010，62:80-86.

[5]Sharma U，Reddy S R N.Design of Home/Office Automation Using Wireless Senosr Network[J].International Journal of Computer Applications，2012，43:53-60.

[6]Dutta K P，Rai P，Shekher V.Microcontroller Based Voice Activated Wireless Automation System[J].VSRD Internation Journal of Electrocal，Electronics&Communication Engineering，2012，2:642-649.

[7]Kamarudin M R，M.A.F.，Yusof M.Low Cost Smart Home AutomationviaMicrosoftSpeechRecognition[J]，International Journal of Engineering&Computer Science，2013，13:6-11.

[8]王中生，曹梅.基于ZigBee的串口監(jiān)控軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2011（14）:12-15.

[9]楊路.ZigBee路由協(xié)議算法的研究[J].電子科技，2014（3）: 12-14.

[10]王權(quán)平，王莉.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2004 （1）:33-37.

Design of domestic environment monitoring system based on ZigBee

XU Xiao-ling，LIU Mei
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

A flexible，independent，low cost of smart home system was proposed.The wireless communication based on ZigBee is the core of networks，the GSM mobile communication is complementary.In the system，the information that was collected by multiple sensors was processed synthetically，and text messages was send through the GSM module，environment information was transmit，to realize their own response according to the corresponding control information.Experiments have shown that the system achieved the desired design indicators and met the requirements of the system.

ZigBee；home monitoring；GSM；CC2430

TN92

A

1674－6236（2016）01-0152-04

2015-05-12稿件編號：201505099

2014年國家自然科學(xué)基金（61473331）；2013年茂名市科技計劃項目（201311）

徐小玲 （1984—），女，福建建甌人，碩士，講師。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。