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1、基于 ZigBee 技术的室内环境检测系统设计摘要随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速发展，无线传感网被广泛应用 于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域，已成为电子信息技术发展的一个热 点。CC2530是TI公司针对ZigBee的无线传感网芯片解决方案，具有功耗低，可靠 性高，组网简单等优势。基于CC2530和ZigBee协议，设计了温湿度数据采集系统， 分别给出了协调器和普通节点的软件算法，在干扰环境下测试表明，网络具有较强的 鲁棒性和自组能力。本文主要介绍基于 STC12C5608AD 单片机为核心的家庭环境监测系统的硬件电 路设计和软件流程设计，实现了在家庭环境中对温度、湿度
2、、灯光及家用电能质量的 检测，其中分别用相应传感器、电流互感器、电压互感器。其中，将温度、湿度、灯 光传感器的模拟量经过单片机 AD 转换处理后输出相应的控制动作调节相应参数；电 能质量的检测，将互感器与电能质量及单相双向功率集成电路芯片 CS5460A 结合检 测电压、电流、功率等检测，经单片机输出相应保护控制:瞬时过电流保护，过载保 护、过电压保护、失压保护等。本设计使用ZigBee无线网络协议，将系统参数传输 及控制，也可与上位机实时通讯和监控。关键词：单片机，传感器，ZigBee，环境监测，继电保护Design of Indoor Environment MonitoringSyste
3、mBased on ZigBee TechnologyABSTRACTWith the rapid development of embedded puting, sensor, wireless munication technology, wireless sensor network is widely used in environmental monitoring, military defense, industrial and agricultural control fields, has bee a hotspot in the development of electron
4、ic information technology. CC2530 is a wireless sensor network chip for ZigBee TI solution, with low power consumption, high reliability, simple networking advantages. CC2530 and based on ZigBee protocol, design the temperature and humidity data acquisition system, the software algorithm coordinator
5、 and ordinary nodes are given respectively, tested in interference environment, the network has strong robustness and self-organizing ability.This paper mainly introduces the design of hardware circuit and software flow design of family environment monitoring system based on STC12C5608AD SCM as the
6、core, realizes in the home environment of temperature, humidity, lighting and household electrical energy quality detection, which were treated with corresponding sensors, current transformer, voltage transformer. Among them, the analog temperature, humidity, light sensor through the SCM AD conversi
7、on processing output control action corresponding adjusting the corresponding parameters; detection of power quality, the transformer and power quality and single phase bidirectional power integrated circuit chip CS5460A bined detection of voltage, current, power detection, SCM outputs corresponding
8、 protection control: instantaneous over current protection, overload protection, over-voltage protection, under-voltage protection etc. This design uses ZigBee wireless network protocol, the system parameters of transmission and control, is also available with a PC real-time munication and monitorin
9、g.Keywords: Microcontroller,Sensor,ZigBee,Environmental Monitoring,目录第 1 章绪论 11.1 本文研究背景与意义 11.2 智能家居环境监测系统的特点 11.3 国内外发展现状及分析 2 1.4典型无线网络技术介绍 31.4.1 ZigBee 技术 31.4.2 Wi-Fi 技术 31.4.3 蓝牙技术 31.5 本文主要研究内容及创新 41.5.1 本文主要研究内容 41.5.2 本文主要研究创新点 4第 2 章 ZigBee 技术综述 42.1 ZigBee 技术介绍 52.2 ZigBee协议分析7第 3 章家居环境监
10、测系统方案 73.1 系统结构 83.2 系统功能定义 83.3 系统设计要求 9第 4 章家居环境监测系统硬件设计 104.1 系统电源电路 114.2 STC12C5608AD 单片机124.3 家居环境参数采集模块 134.3.1 数字温湿度传感器 DHT11134.3.2 烟雾传感器 MQ-2134.3.3 光照强度传感器 144.3.4 电压电流检测及保护 15 4.4RS485 通讯模块 154.5LCD液晶显示模块16第 5 章系统软件设计 175.1 ZigBee无线通讯协议17 5.2温湿度传感器程序185.3 烟雾传感器程序 19 5.4电压电流检测及程序20第 6 章系统
11、性能测试与评述 216.1 硬件测试 216.2 软件测试 21总结 22致谢 23参考文献 24附录 25附件A系统原理图25附件B系统程序26第 1章 绪 论1.1 本文研究背景与意义千百年来，人类都在关注着自身的生活和居住条件，并努力改善和提高之。随着 工业革命和信息技术革命的成功，进入 21世纪后，人类的各种技术包括通信技术、 计算机网络、控制理论、互联网等都有了很大的发展，另外，经济的发展也使我们都 希望居住在一个舒适的家居环境中，只有这样我们的生活才会更好，身体才会健康。 由于人们又了这种想法，由此智能家居系统也就越来越多的被人们所重视了。研究人 员希望能通过这种新的技术将家居中各
12、种智能化的设备、家用电器和家庭安防设备等 整合一个智能化的系统上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备，控制这些设备 来对家居中的环境参数符合人们舒适居住使用的要求，营造一个良好的环境，从而可 使用户能够居住在一个更高要求的环境中。本文研究设计了一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境的实时监测，实 时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的部分就是本 文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如 温度和湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等。同时，此系统中传感器 所得到的环境参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现
13、对家庭 环境的智能调节，比如，当测量到的光照强度高于用户设定的一定值的时候，系统就 将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内的光强度，适合 居住；又如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。 因此，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的环境，从而使环境监测子 系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节，能否拥有一个好的智 能家居系统的关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适 度有非常重要的意义。1.2 智能家居环境监测系统的特点无线环境监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息 监测的精确
14、性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：(1) 多对象监测，环境监测系统需要检测多种环境信息，如：温湿度、有害气体 浓度、光照强度等。这样才能为用户提供全面的环境信息参考。(2) 多点监测，需要对同一环境参数在不同地点和不同时间分别进行测量，这是 因为环境中各种环境信息不同的时间和空间上分布不具有均匀性，由此实现监测的全 面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3) 系统灵活，当有新的环境参数被要求测量时，系统的可扩展性要求灵活，方 便增加节点，以降低成本1。1.3 国内外发展现状及分析随着经济的发展和我们生活质量的提高，智能家居的智能化要求也是愈来愈
15、高， 智能家居亦成了近几年来学者们的一个研究热点。现有的智能家居产品大部分是以有 线网络作为家庭的内部网络，有线网络布线麻烦，终端节点数量多而需要数量庞大的 电缆，而无线通讯技术能很好的解决以上问题。国际上的家庭智能化系统已经形成集 中以有线为基础的标准，包括有：美国的X10 CEBus、欧洲的EIB、日本的HBS 等。目前，国内的这些智能家居系统还处于萌芽的阶段。近些年来，在各个大公司和 媒体的大力宣传下，我国的家居环境监测行业开始起步，已经有一些前瞻性很强的公 司在从事此类系统的开发。另外，国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主的智能 家居系统，类似的系统在家居环境的监测中均可以实现各种功
16、能。虽然现在的各种有 线技术亦能够对环境信息进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信。但当 采用有线技术方案时，根据智能家居环境监测系统的特点，它存在一些缺点，如下面 几项所示。(1) 系统布线麻烦。采用有线技术时，对各个监测点分别进行布线将是一份复杂 庞大的工作，特别是当系统监测对象的数量较多时更是如此，又容易破坏家庭之前装 修的完整性；(2) 安装与维护成本高。在安装系统时，需要安装大量的线缆，家居装修建材等 特别是当用户要需要增加节点以增加系统功能时，更是要重新对其进行布线。(3) 系统可扩展性差。增加或减少新的监测对象必将要求系统具有良好的软件与 硬件扩展性。硬件可扩展性是有线技术方案的主要技术难点之一2。(4) 移动性较差。由于有线的束缚和影响，其美观性较无线系统差，不利于家居的后续装修。1.4
