基于无线传感器网络的家居环境检测与控制系统设计说明

1、 PAGE22 / NUMPAGES29 学 号： 3111139118 题目类型： 设计 (设计、论文、报告)理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科毕业设计(论文)题目：基于无线传感器网络的家居环境监测与控制系统设计 学 院： 信息科学与工程学院 专业(方向)： 通信工程 班 级： 2011-2班 学 生： 陆银龙 826801027指导教师： 邓昀 2015 年 05月 22 日理工大学毕业设计（论文）独创性声明本人声明所呈交的设计（论文）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作与取得的研究成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致的地方外，设计（

2、论文）中不包含其他人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对设计（论文）的研究成果做出贡献的个人和集体，均已作了明确的标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。设计（论文）作者签名：日期：年月日理工大学设计（论文）使用授权声明本设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅或借阅。本人授权理工大学可以将本设计（论文）的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。设计(论文)作

3、者签名：日期：年月日指 导 教 师 签 名：日期：年月日摘 要 由于各种现代化信息技术的迅猛发展、进步和提高，与人们的生活水平的提高和需要，也对我们所居住的环境要求有所提高。健康、优美、舒适、无污染的生活环境是人们理想是居住环境。最近这几年，人类在信息技术上得到了快速发展，也使得有线无线通信技术有了前所未有的突破，技术的成熟是降低成本的基础，由于无线通信技术具有安装简单、无需布线、低功耗、经济实用等特点，因此，本文为此而设计了设计一个基于ZigBee无线通信技术和传感器技术的环境检测与防盗自动控制系统，以实现对人们家居工作生活环境温湿度的测量监控与防盗功能。实时准确地监控家庭周围环境参数与防盗

4、安全，供PC判断以确保我们的居住环境的健康平衡性可以最大程度的减少人们因为长时间或者不知觉的情况下在受污染的居住环境而生病且防盗人体传感器又可以提高我们的居住安全感。 本次设计采用以TI公司的CC2530微芯片的ZigBee无线传感器网络技术为核心，它可以自行组网，各个节点可以设为协调器、路由器和终端，可以根据各自的需要来设定。本次设计将节点其终端与传感器节点接温湿度传感器、人体传感器、和烟雾传感器连接采集信号参数，然后通过无线通信传输数据信号，将采集多个（3点）节点信号然后发送到协调器，再通过串口通信法给PC机给上位机出来数据。由用C#语言在VS2012环境下编写的上位机处理数据并决策该附近

5、环境参数的变化来提示是否符合环境居住和家产是否被盗。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。关键词：ZigBee；无线传感器网络技术；环境检测；防盗；实时监测；VS2012Inspect and Control the Household Environment Based on Wireless Sensor NetworkStudent:LUYin-Long Teacher:DENG YunAbstract：Because of the rapid development of modern information technology, progress and

6、improve, and the improvement of peoples living standard and need, also for our living environment requires increased. Healthy, beautiful and comfortable living environment, no pollution is the ideal living environment. In recent years, the human has been rapid development in information technology,

7、it also makes it easier to cable and wireless communication technology has an unprecedented breakthrough, mature technology is the basis of lower costs, because the wireless communication technology has simple installation, no wiring, low power consumption, economical and practical characteristics,

8、therefore, this paper designed for this purpose to design a based on ZigBee wireless communication technology and sensor technology of environmental detection and anti-theft automatic control system, in order to realize the household work life of people the measurement of environmental temperature a

9、nd humidity monitoring and anti-theft function. Real-time monitoring accurately family environment parameters and anti-theft security, for PC judgment to ensure that our living environment health balance can reduce people to a great extent because of long time or without consciousness in polluted re

10、sidential environment and sick and anti-theft human body sensor and can improve our livingsecurity.This design based on TI companys CC2530 microchip ZigBee wireless sensor network technology as the core, it can on its own network, each node can be set as the coordinator, routers and terminal, can be

11、 set according to their own needs. The design will lead to a node of the terminals and sensor node temperature and humidity sensor, the human body sensor, and the smoke sensor connection acquisition signal parameters, then through wireless data transmission signal and will collect multiple signals (

12、3 points) node and then sent to the coordinator, again to PC to PC through serial communications act out data. By written in c # language under the environment of VS2012 PC processing data, and decision whether the change of environmental parameters to prompt meet near the living environment and pro

13、perty is stolen. To realize real-time monitoring of the family environment in real time to provide users with reliable and comprehensive environmental information.Keywords: ZigBee；Wireless sensor network technology；Environment；Detection； Real-time monitorin目 次TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc19125 摘要 P

14、AGEREF _Toc19125 I HYPERLINK l _Toc9361 Abstract PAGEREF _Toc9361 II HYPERLINK l _Toc7925 1 绪言 PAGEREF _Toc7925 1 HYPERLINK l _Toc21329 1.1 本设计研究的背景与意义 PAGEREF _Toc21329 1 HYPERLINK l _Toc22871 1.1.1 背景 PAGEREF _Toc22871 1 HYPERLINK l _Toc29929 1.1.2 意义 PAGEREF _Toc29929 1 HYPERLINK l _Toc5235 1.2 国

15、外的发展现状与分析 PAGEREF _Toc5235 1 HYPERLINK l _Toc11652 1.3 几种典型无线网络技术的介绍 PAGEREF _Toc11652 2 HYPERLINK l _Toc20471 1.3.1 红外线技术数据通信 PAGEREF _Toc20471 2 HYPERLINK l _Toc24982 1.3.2 wifi技术 PAGEREF _Toc24982 3 HYPERLINK l _Toc15360 1.3.3 蓝牙技术 PAGEREF _Toc15360 4 HYPERLINK l _Toc20577 1.3.4 超宽频技术(UWB) PAGERE

16、F _Toc20577 5 HYPERLINK l _Toc29713 1.3.5 近距离无线传输(NFC) PAGEREF _Toc29713 5 HYPERLINK l _Toc17273 1.3.6 zigbee技术 PAGEREF _Toc17273 6 HYPERLINK l _Toc20232 1.4 本文的主要研究容和创新 PAGEREF _Toc20232 6 HYPERLINK l _Toc887 1.4.1 主要容 PAGEREF _Toc887 7 HYPERLINK l _Toc21380 1.4.2 主要问题 PAGEREF _Toc21380 7 HYPERLINK

17、 l _Toc833 1.4.3 技术关键 PAGEREF _Toc833 7 HYPERLINK l _Toc7310 1.4.4 本文主要研究创新点 PAGEREF _Toc7310 7 HYPERLINK l _Toc32397 2 家居环境监测系统设计 PAGEREF _Toc32397 8 HYPERLINK l _Toc6283 2.1 系统方案论 PAGEREF _Toc6283 8 HYPERLINK l _Toc28046 2.2 zigbee网络设备组成和网路结构 PAGEREF _Toc28046 9 HYPERLINK l _Toc7360 2.3 系统结构 PAGER

18、EF _Toc7360 9 HYPERLINK l _Toc32486 2.4 系统各部分功能定义 PAGEREF _Toc32486 10 HYPERLINK l _Toc23022 2.4.1 温湿度传感器 PAGEREF _Toc23022 10 HYPERLINK l _Toc4694 2.4.2 人体红外热释放模块 PAGEREF _Toc4694 11 HYPERLINK l _Toc25295 2.4.3 MQ2气体烟雾传感器 PAGEREF _Toc25295 12 HYPERLINK l _Toc16836 3 系统硬件设计 PAGEREF _Toc16836 12 HYPE

19、RLINK l _Toc15226 3.1 数据采集模块 PAGEREF _Toc15226 14 HYPERLINK l _Toc13193 3.1.1 电源电路 PAGEREF _Toc13193 14 HYPERLINK l _Toc24829 3.1.2 继电器电路 PAGEREF _Toc24829 14 HYPERLINK l _Toc2091 3.2 协调器 PAGEREF _Toc2091 15 HYPERLINK l _Toc29358 3.3 本章小结 PAGEREF _Toc29358 15 HYPERLINK l _Toc1776 4 系统软件设计 PAGEREF _T

20、oc1776 15 HYPERLINK l _Toc13048 4.1 协调器的程序编程 PAGEREF _Toc13048 16 HYPERLINK l _Toc2023 4.2 终端监测控制节点 PAGEREF _Toc2023 18 HYPERLINK l _Toc951 4.3 上位机程序 PAGEREF _Toc951 205 HYPERLINK l _Toc20315 结论 PAGEREF _Toc20315 20 HYPERLINK l _Toc25190 致 PAGEREF _Toc25190 21 HYPERLINK l _Toc28113 参考文献 PAGEREF _Toc

21、28113 221绪言 1.1本设计研究的背景与意义1.1.1 背景 从远古时代的山顶洞人到至今的现代文明人，人类一直都在关注着自身的生活和居住条件，并想方设法努力改善和提高它。工业革命和信息技术革命的成功与不断迅猛发展，至今既21世纪，人类的各种现代化技术包括信息技术的通信技术、控制理论、计算机网络、互联网等都有了很大的发展，另外，随着我国改革开放以后，经济的发展使得我们想要居住在一个舒适的家居环境中成为了现实，因为这样的生活环境可以更能让我们生活得更好、工作更愉快，身体才更健康。因此人们有了这种想法也有需求的市场，智能家居(Smart Home)系统也就得到了快速发展以与越来越多的被人们所

22、重视。最近十几年，特别是人类在信息技术上的快速发展，使得各种有线无线通信技术得到了前所未有的突破，在将来，由于无线通信运用特点优势和成本降低，有线将慢慢离开技术舞台的中央，无线将代替有线家居环境监测1 周游，方滨，王普基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统J自动化与器仪表，2005(9)：3740。1.1.2 意义 本论文将研究设计了一种智能家居环境监测与防盗子系统，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、火灾信息等。同时，

23、此系统中传感器所得到的环境安全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对家庭环境的智能调节。例如，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、便捷生活的安全环境，从而使环境防盗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安全监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义2 韩江洪，张建军，张利，魏振春，魏臻智能家居系统与技术M合肥工业学出版，2005。1.2国外的发展现状与分析自从世界上第一栋智能建筑在美国出现后，尤其是1997年这年，耗

24、时七年建成的比尔盖茨的智能豪宅，它完玩玩全全按照智能住宅的概念建造，豪宅里面的所有的灯具、门窗、电器都是能够通过计算机来控制的出现以后，国外智能家居早已经获得长足的发展了。他们一些知名的企业例如Samsung.IBM.Microsoft.Sony等很早就投身到这一领域中来，由以前的产品种类繁多协议不同到今的较为统一的通信协议。而且他们的家居智能化大多都是以有线网络作为家庭部的网络为基础的标准。他们的标准包括有美国的X10和CEBu.欧洲的EIB.日本的HBS等。 到目前，我国的智能家居研究领域起步比较晚，还是处于萌芽的阶段。我国的家居环境监测行业是在近些年来的各个大公司和媒体大力宣传号召下开始

25、起步的3 马鸿雁等我国智能化住宅小区发展综述J建筑工程学院学报，2003，19(1)：8893，目前已经有一些前前瞻性很强的公司在从事智能家居环境系统的开发。就目前而言，也有一些电器厂家在市场上也推出了自主的智能家居系统，类似系统的家居环境的监测中也可以得到实现相应的功能。 以上的环境监测基本都是有线技术方案，虽然有线技术可以对环境进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信，相对无线技术方案而言的优点就表现得不那么优势了。存在以下缺点，系统布线麻烦，当你采用有线技术方案时，对各个点进行布线那将是一份复杂又庞大的工作，想想在家庭的各种点，监测器，楼宇等等，特别是是当监测对象数量较为多时，线如

26、雨麻，而且又破外了以前装饰好的美观，不完美；还有在安装和维护方面，在一样情况下，有线比无线成本高得多了。例如在安装时，需要大量的电线和建筑材料，当用户需要增加节点功系统能时，必须又得重新对它布线耗时又费钱；在系统拓展性方面也很差，主要表现在增加或者减少新的监测对象时必将要求系统具有良好的软件与硬件拓展要求，毕竟硬件是软件拓展的基础，而硬件可拓展性是有线技术方案的主要技术难点之一；移植性较差，有线的束缚和影响，在美观上和无线比也差，不基于家居后续装修等等缺点。1.3几种典型无线网络技术的介绍1.3.1红外线技术数据通信IrDA即红外数据协会，是1993年6月成立的一个国际性组织，专司制订和推进能

27、共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。它也是第一种实现无线个人局域网技术。它利用红外线来传输信号，红外线通信具有两个最突出的优点主要是由于红外线它能象HYPERLINK :/ baike /sowiki/?prd=content_doc_search o 可见光 可见光一样集中成很窄一束发射出去的4 中国智能家居网 ：/wwwSmarthomecn 。 主要优点是几乎不会受到天电、电气、人为干扰，抗HYPERLINK :/ baike /sowiki/?prd=content_doc_search o 干扰 干扰性能力强，再者就是不易被人发现和HYPERLINK :/ bai

28、ke /sowiki/?prd=content_doc_search o 截获 截获，性很强。还有红外线通信机具有结构简单，体积小，重量轻，价格低且廉价。红外通信技术适合于点对点、低成本、跨平台高速数据连接，特别是嵌入式系统。它的主要应用表现在信息网关、设备互联方面。在设备互联之后可以完实现不同设备文件与信息之间的交换。信息网关主要负责连接信息终端和互联网。红外通信技术是一种无线连接技术，在世界围被广泛使用的。无有害辐射，绿色产品特性：科学实验证明，红外线是一种对人体有益的光谱，所以红外线产品是一种真正的绿色产品。此外，红外线通信还有抗干扰性强，系统安装简单，易于管理等优点。但就目前来说它不太

29、符合现代电子的快速发展需要，再加上其他比它特性更优的软硬技术的出现与成熟，成本也较低，它没有很大优势了。由于它受视距的影响其传输距离短，容易受到物体的干扰，当遇到光滑的物体表面或者有墙或者其他的障碍物时，它的正常传输就受到干扰，也就不能正常工作；还有就是要求通信设备的位置固定；像在手机等其他移动设备时它就不能正常通信，也不灵活运用；它的点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。此外，由于红外线发射角度小、衰减快、传输距离短直，经过事实验证，一种超短距直线传输，只许是两个设备的传输口对口对准，并且中间不能存在其他障碍物的技术只适合两台设备间通信的苛刻传输条件，注定它终将会被淘汰。1.3.2 wif

30、i技术Wi-Fi是IEEE 802.11b 的别称，是一个名为“无线以太网相容联盟”英文名为Wireless Ethernet Compatibility Alliance（WECA）的组织所发布的业界术语，中文翻译为“无线相容认证”。它能够在数百英尺围能支持互联网接入的无线电信号，是一种短程无线传输技术。它可以将手持设备（如PDA、手机）、个人电脑等终端以无线方式相互连接的。IEEE802.11WLAN它采用微蜂窝、微微蜂窝结构，能自主管理计算机局域网络，是支持较高数据传输速率（154Mbit/s）的。其主要技术有3种：1.正交频分复用技术OFDM：Orthogonal Frequency

31、Division Mustiplexing；2.直序列扩频调制技术(DSSS)和补码键控(CCK)技术；3.二进制卷积(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)。虽然目前扩频调制技术正成为主流技术，但是和OFDM技术相比，由于其优越的传输性能，OFDM技术即将成为人们关注的新的焦点。优点：（1）设便捷方便。它可以免去布线等工作，可以有效的避免了繁琐的长工期布线安装工程。有线宽带网络例如ADSL、小区LAN等到户之后，连接到一个AP，然后就可以在电脑中安装块无线网卡就行。(2）无线电波覆盖围广。Wi-fi的覆盖半径大约100米是蓝牙技术（15m）的约7倍,然而

32、最近Vivato 公司推出一款新型交换机它了能够把Wi-Fi的通信距离扩大4英里，既约6.5公里。(3）投资很经济。有线网络固有的缺点就是缺乏灵活性。如果大量的超前投资往往就会出现线路利用率低。这在有线接入网规划中，我们不得不考虑判断到未来的发展需要。然而Wi-Fi的规划是要按“随着用户的增加而逐步扩展起来的，如过用户数量增加了，就只需再增加几个AP设备就行，就不再需要重新布线，可以节省经济性和灵活的方便性。(4）传输速度快。它支持IEEE80211a标准可以达到11Mbits，而且IEEE80211g实际是OFDM配合高阶调制，它可以能达到54Mbits，完全符合个人和社会信息化的需要与要求

33、。还有它业务可集成、厂商进入该领域的门槛低、相对健康安全等优点。然而它不足的是(1)质量不稳定性。空间的无线电波间是存在相互影响，尤其是同频段同技术设备之间存在着明显影响。还有无线电渡传播中根据障碍物不同将发生折射、反射、衍射、信号无法穿透等情况，它的质量和信号稳定性都不如有线接入方式。(2)传输速率具有局限性。虽然Wi-Fi技术它最高数据传输速率标称可以达11Mbps54 Mbps，但是系统开会使应用层速率减少50。且频率也会干扰会使数据传输速率明显降低。 Wi-Fi网络访问控制保证只有在授权用户能访问敏感数据，加密保证必须正确的接收方才能理解数据。为了使Wi-Fi网络中的数据传输具有同有线

34、网一样的安全性，IEEE8021l标准采取WEP无线加密协议，虽然WEP采用了64位和128位加密密匙的RC4加密算法，但是于对包含 密匙数据本身的信息流进行截取并不复杂，Wi-Fi网络还是会轻易的被攻击。况且它的基带协议和射频协议比较复杂，实现成本也较高，其功耗比较大，一般的电池根本不能满足它的供电要求。1.3.3蓝牙技术蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。它能包括在移动、HYPERLINK :/baike.baidu /view/7690.htm 笔记本电脑、无线耳机和PDA、相关外设等各类设备之间进行的无线信息交换的技术6 蒋挺，赵成林紫蜂技术与其应用M邮电大学，2006。蓝牙这个

35、名称来自于第十世纪的一位HYPERLINK :/baike.baidu /view/6431.htm 丹麦国王 Harald Blatand , Blatand 在HYPERLINK :/baike.baidu /view/170434.htm 英文里的意思可以被解释为 Bluetooth(蓝牙)因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙。在行业协会筹备阶段，因需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术而得名。它的创始人是瑞典HYPERLINK :/baike.baidu /view/16365.htm 爱立信公司，于1994年开始研究在移动和其他配件间进行的低功耗、低成本的无线通信连

36、接方案。目前应用最为广泛的是Bluetooth 2.0+EDR标准，该标准在2004年已经推出，支持Bluetooth 2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。通过使用 Bluetooth 技术产品，可以让人们免除去家居办公电缆线缠绕的苦恼。耳机和HYPERLINK :/baike.baidu /view/29867.htm 扬声器、键盘、膝上型计算机等等都可以在 PC 环境周围中使用。利用“蓝牙”技术，我们可以有效地简化掉HYPERLINK :/baike.baidu /view/19195.htm 移动通信终端设备与设备之间通信，并且简化设备与Internet的通信，让传输HYPE

37、RLINK :/baike.baidu /view/875888.htm 数据变得更加快速起来，可以为HYPERLINK :/baike.baidu /view/43840.htm 无线通信做拓宽道路做为基础。蓝牙采用快跳频和短包和HYPERLINK :/baike.baidu /view/492589.htm 分散式网络结构的技术方法，它可以支持点对点和点对多点他们之间的通信，其工作在全球通用的2.4G的ISMHYPERLINK :/baike.baidu /view/1398416.htm 频段。它与红外线技术相比较的话，其有较高的传输速率，不会像红外线那样条件苛刻并且需要口对口的连接才能

38、传输数据，它可以在有效围10米使用就行，可以随时随地进行连接收发数据，方便又简单。然而蓝牙协议栈的大小在60kb到150kb，其协议栈比较复杂，功耗也比较大，如果用蓝牙技术来实现无线传输，还需要专门的蓝牙芯片来实现，并且对其存的需求也大，从这几个方面来说，增加了成本，传输距离也近，不符合环境监测的需要，也不符合节约型能源社会的需要。1.3.4超宽频技术(UWB)UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，它利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲进行传输数据。UWB 是一种无载波通信技术，它不用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲进行传输数据，所以它所占的频谱围比较宽。就频域

39、而言，超宽带和传统的窄带和宽带是有很大不同的，它的频带比传统的更宽。通过发送射频载波进行信号调制是一般的通信系统，然而UWB则是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 来直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行， 并且以这一过程中所持续的时间， 来决定带宽所占据的频率围。它系统结构的实现也比较简单，具有低功耗、安全性高、高速的HYPERLINK :/baike.baidu /view/875888.htm t _blank 数据传输、多径分辨能力强等的特点，而突出一个特点是它可以定位。冲激脉冲有很高的精准HYPERLINK :/baike.baidu /view/28

40、5031.htm t _blank 定位精度，它利用超宽带无线电进行通信，可以很容易将定位和通信相饥结合为一。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可以在室和地下进行精确定位，在这里充分表现出其优势；还有其与GPS都可以提供绝对地理位置，不同的是超短脉冲定位器可以给出相对位置，它的定位精度可以达到厘米级，而根据资料显示GPS定位系统它只能工作在其可以定位卫星的可视围之，这是GPS所不具备的，按理说超宽带无线电定位器也更为便宜成本低不需要发射卫星等复杂的东西。它虽然在一定的技术上符合环境监测的要求，但是相对来讲其耗电量仍然较大，硬件系统较为复杂。根据数据表明,超宽带的信号有效距离在10米以，在数据距离

41、和功耗上都不满足。并且硬件系统复杂成本高。1.3.5近距离无线传输(NFC)NFC技术是由非接触式射频识别既HYPERLINK :/baike.baidu /newpreview?t=1405665908684 RFID演变而得来的，是HYPERLINK :/baike.baidu /newpreview?t=1405665908684 飞利浦半导体公司与HYPERLINK :/baike.baidu /newpreview?t=1405665908684 诺基亚和HYPERLINK :/baike.baidu /newpreview?t=1405665908684 索尼公式共同研制开发的，它

42、是非接触式射频识别与互连技术为是基础的。近场通信是一种短距离的高频无线电技术，当它在13.56M频率运行时在离它20CM距离以通信的技术。它的传输速度有三种，分别为106 Kbit/S、212 Kbit/S、424 Kbit/S。NFC 芯片具有相互通信和计算能力功能并且在Felica标准中还有加密逻辑电路，MIFAR后期标准中也追加了加密/解密模块(SAM)功能。它与RFID是的差别在于NFC是将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片上来，然而rfid则必须要有阅读器和标签组成，况且RFID只能实现信息的读取和判定，但是NFC技术则强调的是信息交互。NFC提供迅速、轻松、安全的通

43、信的无线连接技术，且其传输围比RFID小。NFC与现在有点非接触智能卡技术兼容，成为很多厂商支持的正式标准。它还是一种近距离连接协议，可以提供各种设备间轻松安全快速而又自动的通信，是一种近距离的私密通信方式。NFC和蓝牙都是短程通信技术，但是NFC不需要很复杂的设置程序它略胜蓝牙是程序设置短，但是功耗比蓝牙高。NFC手机置NFC芯片，比原先仅作为标签使用的RFID更增加了数据双向传送的功能，这个进步使得其更加适合用于电子货币支付的,尤其是RFID所不能实现的相互认证和动态加密和一次性钥匙(OTP)能够在NFC上实现。NFC技术不需要像蓝牙技术那样要有对应的加密设备，因为他的通信围较小，所以在无

44、需加密时就可以作到较为安全的通信 。1.3.6 Zigbee技术Zigbee是由三菱、摩托罗拉、飞利浦、Invensys等公司在2002年10月共同提出设计研发具有低功耗、低数据率、低成本，体积小低复杂度的无线通信网络技术，也是一种新兴的短距离的、可自由组网的无线技术7 张亮，基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统D.武汉科技大学.2009。它的命名来源于来源于蜜蜂在采蜜时跳着舞，其型舞蹈轨迹像Z型再加上蜜蜂的体积小耗能和传递花粉一一逐个传下去，人们用此无线通信模式来传递数据的的方式与蜜蜂相似而得名。其采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点，是一种具有统一技术标

45、准的短距离无线通信技术。还增加了逻辑网络、应用层和网络层。工作在868Mhz、915mhz、2.4gHZ三个频段。他们都是免费申请的，免费使用。和蓝牙是可以说是同族兄弟，都工作在2.4G频段，也用了调频技术。它的基本速率是250kB/秒。当它的速率是28KB/s时，半径到134米，它在低功耗，低成本和组网方面有无比的应有优势是蓝牙不能比的。它适合组建WPAN网络，对数据采集和控制信号都非常合适，它可以组建大规模的网络，节点容量到65535个。Zigbee技术特有的低功耗设计，能让电池工作时间更长，节约成本和不必要的麻烦。由于它具有组网、低功耗、传输距离好低成本抗干扰能力强等的特点。由于组网能力

46、被运用在无线网络传感器网络、数据采集、控制和远程监控，安防、公交、和智能家居、水文水利监测、医疗、油井、油田、电化门禁考勤等等方面。运用领域广泛。1.4本文的主要研究容和创新由于各种现代化信息技术的迅猛发展、进步和提高，与人们的生活水平的提高和需要，也对我们所居住的环境要求提高。随着改革开放工业化的发展与近几年工业汽车尾气的排放让气候变暖，有毒气体更多，近几年雾霾天气场时间存在，在治安方面，防人防盗可以给我们一个安全的环境，因此我们需要建立一个安全、健康的生活家居环境。本论文设计一个基于ZigBee无线通信技术和传感器技术的环境检测与防盗自动控制系统，以实现对人们家居工作生活环境温湿度的测量监

47、控与防盗功能。实现对家庭环境和安保的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境与安保信息。这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义。1.4.1主要容一、本设计的是采用三个节点终端，一个协调器终端。通过数据采集终端进行温湿度、人体感应、烟雾数据采集，然后利用ZigBee无线通信技术将采集到的数据发送到数据接收终端（控制器）并在PC机显示出来，可以通过PC控制节点上的灯或者相关的控制器。二、数据采集终端：由 DHT11温湿度传感器、人体传感器、烟雾传感器、按键和继电器和一个ZigBee CC2530通信模块组成。DH11温湿度传感器测量温度围0-50，正负2，湿度测量围20-90%，误差正负

48、5%，工作电压3-5V直流。人体感应和烟雾传感器电压都是5V，人体感应器有非法入侵就来一个变化电平，烟雾模块可以电平变化或者采用AD浓度。ZigBee CC2530通信模块工作电压2.0-3.6V，工作于全球工作频段2.4GHz。继电器电压是5V，它需要一个三极管放大电路来驱动8 ZigBee Alliance ：/wwwZigBeeorg。三、数据接收处理终端：由一个ZigBee通信模块和USB接口连接PC机上位机组成。1.4.2主要问题解决各类传感器与ZigBee模块通信、ZigBee模块之间通信问题，以与ZigBee模块与PC机上位机之间的通信问题。1.4.3技术关键Zigbee无线通信

49、技术，DHT11温湿度传感器，多点通信。1.4.4本文主要研究创新点本论文使用ZigBee无线通信技术，省去了有线系统的布线影响美观和降低成本，该技术是一种短距离、低功耗自组网性的新兴无线通信技术，相对于复杂的蓝牙技术，其具有较低的复杂度，与在监测节点增减终端上系统灵活性高。ZigBee也工作在2.4GHz频段，无需申请牌照即可免费使用。可以在上位机上形象的显示各节点情况以与控制各点的控制器。PC上位机显示比较生动形象并且实时的显示和控制空气防盗安全等家居环境，实现健康安全舒适家居环境。2 家居环境监测系统设计2.1系统方案论 在1章节中，已经把可以用到的无线通信技术论述一片。就单选择无线通信

50、而言，可以选择其中都行，但是要求做到自行组网，增减监测节点方便，无需布线的的麻烦、不影响美观等。有线肯定是不行了，红外线无线不能组网，只能一对一，排除去，wifi和蓝牙由于设备功耗大，普通的电池不能满足要求，我们从成本去考虑也不能实现，其他技术像超宽频其耗电量大，硬件系统也复杂，我们要求低功耗，监测节点设备简单方便等不符。Zigbee 是一种低功耗、低数据速率，成本低，短距离低复杂度的无线网路技术，可以自行组网类似一个GPRS系统一样，它工作在3个免费的频段上，可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有强大组网优势，在低成本、低功耗特别是组网能力，它有无可比拟的应用优势。这个是其他

51、无线技术所不能拥有的。Zigbee采用IEEE802.15.4的无线物理层，具有成本低，简单省电的规格，还增加了网络安全和逻辑网络与应用层。2.2 Zigbee网络设备组成和网路结构按照Zigbee联盟技术标准，节点功能可以设置为协调器、路由器、终端设备三种网络功能9 叶朝辉，杨士元智能家居网络研究综述J计算机应用研究，2000(9)：48。同一个网络中至少需要一个协调器且也只能有一个协调器，它负责各个节点16位地址自动分配，理论上可以连接65536个节点。其他组网方式千变万华，如下图：图2-1 网络连接图2.3系统结构由于本论文题目是基于无线传感器网络的家居环境检测与控制计，采用Zigbee

52、技术来实现无线网络组网的。根据的Zigbee的节点功能特点分为协调器、路由器和终端节点。根据论文要求，本设计采用3个节点终端，一个协调器终端，它主要负责接受3个终端节点采集到数据发送过来的各类数据，并发送到PC上位机。通过数据采集终端进行温湿度、人体感应、烟雾数据采集，然后利用ZigBee无线通信技术将采集到的数据发送到数据接收终端（控制器）并在PC机显示出来，可以通过PC控制节点上的灯或者相关的控制器。其结构模拟如下图 2-2 总体架构图2.4系统各部分功能定义Zigbee模块的最小系统是TI公司的CC2530芯片，它是一个真正的用于IEEE802.15.4，Zigbee和RF4CE应用的片

53、上系统解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530集成了增强型高速8051核处理器，8KB的RAM，多达256KB的闪存以与支持更大的应用；2个USART接口、8通道12位A/D转换器，21个通用的GPIO等；它支持2.03.6V供电电压，拥有3种电源管理模式：唤醒模式0.2mA、睡眠模式1A、中断模式0.4A；具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性，传输距离大于75m，最高传输速率250kbps10 刘建国，刘文清，魏庆农环境监测技术与其发展方向光电子技术与信息， 2001(4)：71l 。PC与上位机是整个系统的管理中心，显示各节点情况以与控制各点的控制器。管理终端或者

54、路由器发送过来的数据或转发上位机传下来的数据发送给终端节点。PC上位机显示比较生动形象并且实时的显示和控制空气防盗安全等家居环境，实现健康安全舒适家居环境。本设计把他设置为传感器采集的处理器，对其周围环境的温湿度、人体、火焰、的数据采集和控制一个继电器。它通过周期性每隔1秒发送给协调器数据，还可以在PC上位机的指令下控制继电器。任何设计都有误差，本设计主要采集室和室外周围环境的数据，下面介绍本论文用到的各类传感器，并提供传感器的参数情况。2.4.1 温湿度传感器DHT数字温度度传感器是一个有校准功能的数字信号温湿度传感器，传感器部有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，他们和一个高性能的8位

55、单片机相连。具有体积小，功耗小，超快响应、抗干扰能力强，性价比高的特点。温湿度传感器测量温度围0-50，正负2，湿度测量围20-90%，误差正负5%，工作电压3-5V直流。被广泛运用在汽车、数据记录器、家电、医疗、气象站除湿器方面。其经典连接电路图如下图2-3 温湿度传感器应用电路图2.4.2 人体红外热释放模块HC-SR501是基于红外线的技术自动控制模块，它采用德国的LHI778探头设计，具有超低的电压的模式，灵敏度极高，可靠性强。是全感应方式，当有人进入感应区后，输出高电平，人离开感应围时它自动延时，输出一个低电平。有两种触发发方式不可重复触发方式和可重复触发方式。工作电压在DC4.5-

56、20V.图2-4 人体感应原理图 2.4.3 MQ2 气体烟雾传感器MQ-2/MQ-2S气体传感器用的气敏材料是电导率较低的二氧化锡(SnO2)，它对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，可以监测多种可燃性气体，特别是对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。在较宽的浓度围对可燃气体有良好的灵敏度，传感器的电导率是随着环境中空气中可燃性气体浓度的增加而加大。可以用简单的电路就可以将电导率的变换转换出相应的浓度对应输出的信号。下面试各气体和电路图介绍图2-5 气体烟雾传感器继电器控制器是我们平时的DC5V类，上位机通过协调器发送指令到终端节点，然后通过节点来控制它，这是拓展用的，用来控制高低压设备都行。3系

57、统硬件设计本设计采用TI公司的CC2530芯片的最小系统，它低功耗，电路设计简单方便好用。其原理图如下图图3-1电路原理图 由于芯片部高度集成，只需要外部提供电源和天线即可。系统电路图如下:图3-2 电路原理图PCB图：PCB图图3-3 电路PCB图3.1 数据采集模块3.1.1 电源电路终端模块是采集各类数据的，下面先介绍电源电路，电源是所以电路必备的，它可以能力给电路工作。由于ZIgbeeCC2530的工作电压在1.8到3.6V，各类传感器可以3.3到6V宽电源，所以本设计采用四节电池提供6V后稳压3.3V给最小系统供电工作，其原理图电路如下图3-4电压电路图3.1.2 继电器电路 图3-

58、5 继电器电路图由于其他传感器电路都是模块化，从最小系统引出相应的引脚接收信号即可。附录原理图后有。3.2协调器由于协调器只是接收终端发过来的数据没有其他的要求，因此，可以在终端的基础上减调所以传感器即可得到，P0_2和P0_3是 USART异步串口通信的引脚，再加一根接地线即可。三根线就可以和PL2303等所有串口芯片设备连接，非常方便。3.3本章小结以上是搭建硬件电路，为以后的协议栈和应用系统程序做基础，把所有终端监测节点做好，并把各类传感器焊上，把协调器搭建好，收集所有终端监测节点发送过来的数据然后发给上位机并转接上位机发下来的指令给个节点控制命令。4系统软件设计本章主要有三个容是软件设

59、计，一个是协调器程序设计，再一个是终端监测节点数据采集程序设计，最后一个是C#设计的上位机程序。本设计是用CC2530芯片的最小系统，现在很多都是用IAR Embedded Workbench for 8051这个开发软件来编程，它的编程语言是C语言。IAR开发环境界面如下图4-1 IAR开发界面图4.1协调器的程序编程由于协调负责接收其他终端监测节点的数据，发送指令转发上位机的程序等功能，但是本论文主要那它来接收转发数据命令，因而主要有两个主要大程序。由于Zigbee组网都是在协议栈上开发的，把它的网络定义为协调器。协议栈就是一个系统，它本身在自己一直运行，而我们开发主要是在应用层方面，它怎样工作于我们不太大关系，因此我主要在接收上位机指令和接收到数据处理这两个方面着手。由于上位机和协调器是通过串口通信的，在协议栈设置好波特率等相关后即可使用，我们自己做一个回调函数，其函数如下：/从串口0读取2个字符，放进uartbufstatic void rxCB(uint8 port,uint8 event) uint8 uartbuf2; HalUARTRead(0,uartbuf,2); AF_DataRequest( &GenericApp_DstAddr, &GenericApp_epDesc, GENERICAPP_CLUSTERID, 2,