基于ZigBee技术的室内环境检测系统设计-毕业设计论文

烟台南山学院毕业设计（论文）第32页毕业设计论文基于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。CC2430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CC2430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、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DesignofIndoorEnvironmentMonitoringSystemBasedonZigBeeTechnologyABSTRACTWiththerapiddevelopmentofembeddedcomputing,sensor,wirelesscommunicationtechnology,wirelesssensornetworkiswidelyusedinenvironmentalmonitoring,militarydefense,industrialandagriculturalcontrolfields,hasbecomeahotspotinthedevelopmentofelectronicinformationtechnology.CC2430isawirelesssensornetworkchipforZigBeeTIsolution,withlowpowerconsumption,highreliability,simplenetworkingadvantages.CC2430andbasedonZigBeeprotocol,designthetemperatureandhumiditydataacquisitionsystem,thesoftwarealgorithmcoordinatorandordinarynodesaregivenrespectively,testedininterferenceenvironment,thenetworkhasstrongrobustnessandself-organizingability.ThispapermainlyintroducesthedesignofhardwarecircuitandsoftwareflowdesignoffamilyenvironmentmonitoringsystembasedonSTC12C5608ADSCMasthecore,realizesinthehomeenvironmentoftemperature,humidity,lightingandhouseholdelectricalenergyqualitydetection,whichweretreatedwithcorrespondingsensors,currenttransformer,voltagetransformer.Amongthem,theanalogtemperature,humidity,lightsensorthroughtheSCMADconversionprocessingoutputcontrolactioncorrespondingadjustingthecorrespondingparameters;detectionofpowerquality,thetransformerandpowerqualityandsinglephasebidirectionalpowerintegratedcircuitchipCS5460Acombineddetectionofvoltage,current,powerdetection,SCMoutputscorrespondingprotectioncontrol:instantaneousovercurrentprotection,overloadprotection,over-voltageprotection,under-voltageprotectionetc..ThisdesignusesZigBeewirelessnetworkprotocol,thesystemparametersoftransmissionandcontrol,isalsoavailablewithaPCreal-timecommunicationandmonitoring.Keywords:Microcontroller,Sensor,ZigBee,EnvironmentalMonitoring,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 21.4典型无线网络技术介绍 31.4.1ZigBee技术 31.4.2Wi-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 52.1ZigBee技术介绍 52.2ZigBee协议分析 7第3章家居环境监测系统方案 83.1系统结构 83.2系统功能定义 83.3系统设计要求 10第4章家居环境监测系统硬件设计 114.1系统电源电路 114.2STC12C5608AD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DHT11 134.3.2烟雾传感器MQ-2 144.3.3光照强度传感器 144.3.4电压电流检测及保护 154.4RS485通讯模块 164.5LCD液晶显示模块 17第5章系统软件设计 185.1ZigBee无线通讯协议 185.2温湿度传感器程序 185.3烟雾传感器程序 195.4电压电流检测及程序 20第6章系统性能测试与评述 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X—10CEBus、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典型无线网络技术介绍1.4.1ZigBee技术ZigBee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间[3]。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为ZigBee的新一代无线通信标准。而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。1.4.2Wi-Fi技术Wi-Fi，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance,WECA）的组织所发布的业界术语，中文翻译为“无线相容认证”。Wi-Fi或802.11G在2.4Ghz频段工作，所支持的速度达54Mbps（802.11n工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，理论最高速度600Mbps)。但随着技术的进步，其速度在目前看来较慢，现逐渐退出市场主流。热点是通过将访问节点安装在互联网连接上来创建的。这个访问节点通过无线信号将信息传到互联网上，一般覆盖到200米以内。虽然Wi-Fi有覆盖范围较广等特点，但是其的基带协议和射频协议比较复杂，实现成本较高，而且其功耗比较大，根本上满足不了电池供电的要求。1.4.3蓝牙技术爱立信公司制定了初始的蓝牙技术，此技术一开始是爱立信公司在1994年的一个研究移动电话和其他配件期间进行的低功耗、低成本的无线通信连接方法的方案。1999年正式公布蓝牙1.0版，确定了使用频段，最高数据传输速度达，和红外技术相比，蓝牙有着较高的传输速率，而且不需要像红外线那样进行口对口的连接才能传输数据，所有的蓝牙终端基本上只要在有效的范围内使用，就随时可以进行连接收发数据。1.5本文主要研究内容及创新1.5.1本文主要研究内容随着我国经济和科技的迅猛发展，人们的生活水准越来提高，日常家居的环境更受到了人们的关注。近年来随着家庭装修时工业板材及其他有毒气体释放源的使用，室内的环境不容乐观。这就要求有各种有害气体监测功能的家居环境监测系统介入，为我们营造一个安全健康的家居环境。(1)ZigBee协议的介绍。主要介绍了ZigBee协议中各个部分的组成和数据结构，并对各层中的重点内容进行了详细的分析；(2)本文以无线传感网络为基础，以ZigBee技术纽带，详细设计出的家居环境监测系统中的两种节点--协调器节点（控制中心）和传感器节点。在协调器节点中，本文实现了电源、串口通信、PCB天线等主要电路的设计；而在传感器节点中，由于其与协调器类似，故仅针对不同的环境信息，设计出了不同的传感模块；(3)本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用，由此用户就可以实时的了解到家庭中个中环境信息的参数。1.5.2本文主要研究创新点本文利用ZigBee技术，以实现无线系统的组网，可以为家居环境提供多地点、多对象的监测，由于ZigBee技术的自组网性，在增加或减少监测终端时系统灵活性较大。同时此系统还省去了繁琐的有线系统布线对家居美观性的损害。终端通过显示器及数据上传到智能家居系统可以实时显示并控制空气净化器等为家居环境，实现健康家居。

第2章ZigBee技术综述ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据此协议的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的一种名叫ZigBee的舞蹈，由于通过持续不断地跳这种舞蹈来实现对新发现的食物或其他信息的传递，换句话说蜜蜂是依靠这样的通信方式来实现了一个通信网络，而每个个体则是网络中的一个节点。这样做的好处是不需要专门的通信蜜蜂，通过信息接力就完成了整个通信，从而实现了蜜蜂的低成本、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等的信息传递方式。受蜜蜂的这种特殊的通信方式的启发，ZigBee技术的研究也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低成本地嵌入各种设备中组成庞大的网络。总而言之ZigBee技术就是一种低功耗，低成本的无线网络通信技术。2.1ZigBee技术介绍ZigBee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准，而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。截至目前，该联盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee协议物理层和媒体控制层技术标准的工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下，ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee的基本速率是，传输半径可扩大到400ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面。(1)网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力；(2)成本低。由于ZigBee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，竞争较大，近年来应用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是ZigBee的最大的一个优势；(4)网络容量大。每个ZigBee设备可以与另外254台节点设备相连接，而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络；(5)数据传输速率低。只有10kb/s—250kb/s，符合本设计需求；(6)工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用；(7)网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达到30ms；根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。他们的功能分别如下。（1）ZigBee协调器：它是个全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下级节点所发来的信息。（2）ZigBee路由器：它也是全功能设备在加入网络后，协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数据转发及路由之功能。（3）ZigBee终端设备：其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构，网状结构和簇树型结构，图2.1所示。图2.1ZigBee网络拓扑结构图在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，在ZigBee协调器则负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。2.2ZigBee协议分析ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础之上，规定了ZigBee协议的网络层与应用层协议规范。下面就网络层与应用层作简要介绍。ZigBee网络层的主要功能就是确保正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。网络层提供了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发，用以维持节点的各种功能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。ZigBee应用层有三个不同的部分分别是：应用支持子层、ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象。

第3章家居环境监测系统方案本文的家居环境监测系统，通过对传感器技术、无线网络技术和计算机等技术的综合运用，得以实现对家庭环境的实时监测，从而间接地为用户创造一个健康的，适宜居的，舒适的家居环境。3.1系统结构本论文是基于ZigBee技术的无线传感器网络环境监测系统，故根据ZigBee技术的标准和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和PC组成的该系统。其中，传感器节点通过无线技术与协调器进行信息的交换；协调器则通过串口进行相连通信。本文设计的系统结构如图3.1所示。图3.1系统结构图本系统中传感器节点主要负责的是环境信息的采集与发送，协调器节点主要负责的是网络的建立、终端节点管理、数据处理和对PC端的数据通信。当然在实践过程中可以根据家庭居住环境的大小和所需监测的内容，来增加或减少传感器节点，而只需做小许改动即可[4]。当监测区域较大时，可用增加传感器节点的方法来保证网络的连通性，相反区域较小时可以根据情况减少路由器节点的设置以节省系统资源，降低成本。在本设计的实践环节，本人只象征性的做了一个传感器节点进行试验演示。3.2系统功能定义本文设计的环境监测系统主要检测家庭环境中以下一些环境参数以实现对环境信息的全面监测，从而为用户的准确决策提供参考。下面对各种参数进行如下介绍。（1）温度湿度人体对温度的变化甚为敏感，在环境温度高于35摄氏度后，每增加一度对人体的负面影响都是几何级的增加，故此系统中最重要亦是最基本的就是环境中温度的采集。温度传感器可以在用户设定的频率下采集区域的温度信息，并将其发送到协调器节点进行处理，再由协调器将处理结果数据通过串口发送到PC，此时，PC可按之前用户设置好的参数和程序对空调系统进行控制，从而实现对室内温度的控制，当然这些是后续控制，不在本文讨论范围内。家庭中的每个房间可以多放几个这样的类似节点，可实现在同一个房间进行多点的温度信息采集，以提高温度测量的准确度。（2）湿度人类对湿度虽然不是特别敏感，但其时时刻刻亦影响着人们的健康，尤其是老年与儿童。目前人们经常是通过普通的加湿器来调节室内湿度，此类加湿器一般只是手动操作，这样就存在着人为的主观不确定性，最终也有可能不利于环境之改善。而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息的采集，再经由PC的处理后，对加湿器进行控制，即可达到科学明了地控制室内的湿度。（3）烟雾燃气的主要造成烟雾源，当燃气发生泄漏时，就会对家庭人员生命带来威胁。故对一氧化碳气体浓度监测也是必不可少的一部分。当系统检测到烟雾浓度大于用户设定是初值时，PC会立即发送报警信号到报警装置或者是家庭成员的手机或直接报警，PC在启动报警装置的同时，或可以自动控制开窗，以达到室内空气流通的效果，保证家庭成员的安全。（4）灯光灯光亮度的监测可以利用分布在各个房间里的光敏传感器来实现。光敏传感器可以将感知的光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传输到PC，经过处理和判断光线强度控制窗帘的开关或灯的开关。当光线过强时，可以控制窗帘自动合起，反之则可以控制其打开或电灯打开。（5）电能质量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。所以居民住房的电能质量检测有很大必要，本文使用电压电流互感器通过CS5460A芯片处理数据，由单片机能出，交流电的电压、电流、功率、频率等。3.3系统设计要求本系统是在家庭环境中实现各种功能，根据此特点，可以总结出以下几种要求。分别从软硬件两个方面来得以实现。（1）低功耗：由于是无线传感网络，节点很多，故只能由电池供电，故要求低功耗以延长使用，减少电池更换次数。（2）安全性：本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，若出现错误，则可导致PC判断错误，导致错误控制。如：未发生一氧化碳泄露即报警等。故要求系统的安全性（3）外观：由于要安装在家庭各个地点，故要求其尽量小巧，美观。（4）可扩展：能根据用户的不同需求，随时增加或减少节点设置[5]。软件方面要求程序模块化设计，可以使系统升级方便以备增加节点时修改其中一个模块而其他地方无需改动；程序设计要简单，数据传输格式要统一。

第4章家居环境监测系统硬件设计在ZigBee传感器网络中，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，在采集、接收、处理及发送数据进的同时，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成一些特定任务。根据系统的需要，传感器节点应具备以下功能。(1)传感器信号的采集和处理；(2)无线数据的发送或转发；(3)液晶显示和键盘输入；(4)RS485通讯功能。无线传感器网络的节点通常由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块构成[4]。微处理器和无线通信模块采用支持ZigBee协议，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器DHT11、MQ-2型气体传感器、光照强度传感器用光敏电阻和电能质量检测用电压电流互感器和CS5460A芯片，电源采用交流220V变压整流直流5V供电。硬件系统结构框图如图4.1所示。图4.1硬件系统结构框图4.1系统电源电路电源管理是对电源电压调节和分配，为其他各模块提供可靠和正常工作的电压。电源模块相当于房屋的基石，所以高性能的电源管理模块对于整个控制系统稳定运行实至关重要的。电源模块为控制单元、传感器、控制输出（电机、继电器）等模块提供可靠且不同的工作压。在设计过程中，不仅要考虑电压和电流大小等基本参数而且要考虑电源使用效率、降低噪声、复杂程度和干扰等方面优化[6]。如下图4.25V电源电路，家电交流220V经过变压、整流、滤波、稳压[7]。图4.25V电源电路4.2STC12C5608AD单片机本系统采用STC12C5620AD系列单片机，它是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机[8]，是高速低功耗超抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。4路PWM，8路高速10位A/D高精度转换。共6个16位定时器，其中两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器T2，PCA模块可再实现4个16位定时器。SPI同步通信口，主模式/从模式同步通信口[9]。单片机最小系统的设计包括的外围模块有：复位电路，振荡电路[10]。最小系统电路图如4.3下图所示。图4.3单片机最小系统的电路4.3家居环境参数采集模块4.3.1数字温湿度传感器DHT11DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[11]。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。连接方便，数字温湿度传感器电路图4.4如下所示图4.4数字温湿度传感器电路图4.3.2烟雾传感器MQ-2本次设计的烟雾传感器用MQ-2。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[11]。该传感器需要施加二个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路VCC。为更好利用传感器的性能，需要调节可调电阻Rp恰当的RL值。其烟雾传感器电路如图4.5所示。当检测到烟雾控制器输出报警，蜂鸣器报警电路如图4.6所示。图4.5烟雾传感器电路图4.6蜂鸣器报警电路4.3.3光照强度传感器本光照电路是应用光敏电阻的特性而设计形成的，根据光敏电阻的工作原理，当有光照是光敏电阻的阻值会随着光的强度增加而减小。把光敏电阻采样得到的电压值经过LM358进行电压放大，然后进行滤波后送到单片机进行处理。光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制，超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏[12]。当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光照电压也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同。光照传感器电路如图4.7所示。图4.7光敏电阻传感器电路4.3.4电压电流检测及保护供电系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来巨大的动力和效益。供电系统一旦发生自然或人为的故障，不能及时得到控制，将会使系统失去稳定性，造成主设备损坏、电网瓦解，造成大面积停电，给系统及社会带来严重的后果。因此，如何保证供电系统安全稳定运行就成为了一个永恒的主题。使用微机监测系统来输出相应保护控制，即微机保护。本系统的电流电压检测同样使用电压电流互感器，不同的是，经互感器后由单相双向功率集成电路芯片CS5460A处理数据，而后又单片机读取数值，CS5460A还可以由软件读取交流电的频率和电压电流的相位差等。电压电流检测电路如下图4.8所示。图4.8电压电流检测电路由单片机检测的电压电流参数与该供电系统的参数整定后，可以输出瞬时过电流保护，过载保护、过电压保护、失压保护等控制，这些控制功能由光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部触点输入、人机对话及通讯等功能。由电压电流的相位差可以计算出功率因数，进一步做功率因数校正控制，若功率因数较低可以控制接通并联电容器组。4.4RS485通讯模块控制器通过RS485与上位机通信。串口芯片选择ISL81487，ISL81487配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，表现出真正的RS485协议器件性能，这些器件电路简单，通讯准确稳定。电路如图4.9下所示。图4.9RS485通讯电路4.5LCD液晶显示模块带中文字库的128x64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,可以显示8×4行16x16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。液晶屏的各引脚说明如下表4.1所示。液晶显示接线如下图4.10所示。表4.1液晶屏的各引脚说明表管脚号管脚名称电平管脚功能描述1GND0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0对比度（亮度）调整4D/IH/LD/I=“H”,表示DB7——DB0为显示数据D/I=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写6EH/L使能信号714D0D7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17RETH/L复位端，低电平有效18NC-LCD驱动电压输出端19LED1VDD背光源正端（+5V）20LED2VSS背光源负端图4.10液晶显示接线图

第5章系统软件设计5.1ZigBee无线通讯协议终端节点的软件主要实现以下功能：(1)数据采集功能：采集各个传感器的输出信号并进行数据分析存储。(2)数据显示功能：能够在LCD上将采集处理后的传感器数据实时显示。每个不同类型的传感器构成一个单独的节点，液晶显示当前环境下温度(℃)、湿度(％RH)和烟雾强弱。(3)数据传输功能：采用标准的MODBUS协议通过上位机修改系统参数。(4)与无线模块通讯：单片机将要发送的数据以特定的波特率通过串口送到无线模块发送[12]。ZigBee无线通讯协议程序流程图如图5.1所示。图5.1ZigBee无线通讯协议程序流程5.2温湿度传感器程序温湿度传感器的详细测量方法已在4.3.1uintADC0(){uinti,test,adval;

adval=0;test=0;

ADCCS=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();DI=1;

ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();

if(CH==0){DI=1;

ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1；_nop_();DI=0;ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();}}5.3烟雾传感器程序本论文中，对于烟雾传感器主要解决的问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，浓度强弱显示。因为MQ-2型烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。其主程序流程图为5.2所示。图5.2烟雾传感器流程图5.4电压电流检测及程序单相双向功率集成电路芯片CS5460A处理数据的程序要以下步骤。复位CS5460A，对CS5460A的复位脚发复位脉冲，脉宽不少于10MS。写同步控制命令字；从外部存储器读原来保存的校准值，并将读出的值写入相应的校准寄存器；写控制寄存器，设置各寄存器参数；清状态寄存器；读取交流电压电流频率等参数寄存器。使用C语言书写程序如下附件2。

第6章系统性能测试与评述6.1硬件测试电路板焊接完毕后，找出硬件整体上的错误，如接口松动、接触不良，电源不稳定等。(1)稳定性测试：长时间运行系统检查电源电压，液晶显示，传感器，无线模块等。经测试系统各电源运行正常，电压均在正常值范围之内；液晶显示正常清晰无闪屏；传感器工作正常，采样的数据正确；无线模块无死机现象。(2)硬件安全性：检查各类接口，保证电路不出现短路等问题。长时间运行程序并检查芯片工作情况与工作状态(温度、电压等)。经测试系统各接口运行正常[13]。6.2软件测试（1）传感器采样程序测试，以1s或2s间隔频率采集各个传感器，连续采集24小时以上，观察LCD显示是否有异常数据出现。测试结果：采样正常，数据可靠。（2）单片机与无线模块通讯测试：单片机每采样到一次传感器信号，处理后及时将数据发送到无线模块，通过观察电路板上的通讯指示灯观察无线模块是否接收到数据。测试结果：无线模块接收正常。（3）人界操作界面程序测试：多次重复操作按键菜单，设置各个系统参数，查看程序是否跑死，分析是否有bug。测试结果：程序运行无错误，无死机现象。（4）上位机通讯程序测试：以1s间隔频率发送命令(24小时以上)，查看系统是否能及时返回数据，返回数据是否正确。设置各个波特率，查看通讯是否正常。测试结果：通讯正常。

总结ZigBee无线传感器网络是基于ZigBee协议的无线传感器网络，是ZigBee协议与传感技术的结合，是应用性非常强的技术，它具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合于对布线困难、人员不能到达的区域和一些临时场合的状况进行远程监控，如大型建筑的健康状态监控、空间探索、灾害预测等，它在当前我国环境监测系统中有着巨大的应用潜力的。目前市场上的近距离无线通信技术有很多种，如无线局域网WiFi、蓝牙、IrDA、UWB、RF等。经过市场调研，发现ZigBee无线通信技术在在无线传感网络中占有广泛的市场，具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性强、安全性高、成本低等特点。本设计采用了ZigBee技术实现无线网络的搭建。经过反复的测试，我们研制的无线网络节点通信平台已经可以稳定的运行，并且有较好的可靠性和扩展性。本次设计主要涉及到硬件设计和ZigBee协议编程两方面的内容。通过该设计，使得自己在学业上受益匪浅，它不仅要求我灵活应用以前所学的知识，也要求自己在工作中不断学习和接受新知识，极大的锻炼了自己独立研发的能力，为今后的工作开创了新的前景。

致谢值此论文完成之际，我谨向悉心指导我的杨国庆老师致以深深的谢意。在整个设计过程中，烟台南山学院给我创造了良好的学习、研究设计环境。杨国庆老师丰富的阅历和豁达的处世观，给我留下了深刻的印象。在我学习和完成设计的各个阶段，杨老师精心的点拨与指导、富有创造性的研究思想、严谨的科研作风、渊博的知识以及高尚的人格都给了我很大的启发与帮助。特别是在我进行系统设计和毕业论文写作期间，遇到了很多的问题和麻烦，是杨老师孜孜不倦的指导我，既要求我独立思考，提出自己的见解，又不是的给我指引正确的研究方向。这样，一方面既锻炼了我独立思考的能力，另一方面有利于形成我自己的思想而又不偏离正确的方向，将使我终身受益。衷心的感谢我的学校和学院，给我提供了良好的学习和设计环境。一并感谢徐州百瑞自动化科技有限公司，在毕业实习时给我提供了良好的实习环境，为毕业设计做了一定的准备。再一次感谢一直孜孜不倦教我做人、做事、做学问的各位老师，尤其要感谢这次设计给我提供巨大帮助的杨老师，他是一个对学生严格要求又不失和蔼可亲的老师，没有他的悉心指导与热心帮助，我就不会有这么大的进步与提高。最后，对在我读书期间所有关心、支持我的亲人、老师、同学、朋友致以衷心的感谢和深深的祝福。

参考文献[1]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[2]徐君丽，刘冀伟，王志良．基于无线网络的智能监控系统设计与实现．微计算机信息，2005[3]高守玮,吴灿阳ZigBee技术实践教程[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2011[4]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[5]JaneK．Hart，KirkMartinez．EnvironmentalSensorNetworks：Arevolutionintheearthsystemscience7．Earth—ScienceReviews，2006[6]杨拴科.模拟电子技术基础[J]．北京：高等教育出版社，2010[7]李元庆.电路基础[M]．广东:华南理工大学出版社,2007[8]蒋延彪.单片机原理及应用[M]．重庆:重庆大学出版社,2003[9]胡汉才.单片机原理及系统设计[M]．北京:清华大学出版社,2002[10]王贤勇.赵传申.单片机原理与接口技术[M]．北京:清华大学出版社,2010[11]丁镇生.传感器及传感技术应用[M]．北京:电子工业出版社,2000[12]孙利民.李建中.陈渝等．无线传感器网络．第1版．北京：清华大学出版社，2005[13]陈玲，赵建夫．环境监测．第l版．北京：化学工业出版社，2004附录附件A：系统原理图附件B：系统程序#include<STC12C5620AD.h>#include<intrins.h> sbitLED1=P1^0; //12VsbitLED2=P1^1; //12VsbitLED3=P1^2; //12Vunsignedcharbufini,bufino,bbs;unsignedcharcounter;bitinternal;unsignedcharxdatamaincmd[256];//unsignedcharsendbao[50];//unsignedcharxdatasendcmd[100];unsignedchar*pp;unsignedcharxdatacombuf[256];//unsignedintfmq_time,key_time;//bitpower; voidscancommand();bitgetcommand(void);voidinit(){ SCON=0x50; TMOD=0x21; AUXR=0x40; TH0=0xF7; TL0=0x32; TR0=1; ET0=1; TH1=0xfd; TL1=0xfd; RI=0; TI=0; TR1=1; ES=1; EA=1;}voidriti(void)interrupt4using3 { if(RI) { RI=0; combuf[bufini++]=SBUF; } elseif(TI) { TI=0; if(internal) { if(!(--counter))internal=0; elseSBUF=*pp++; } } }bitgetcommand(void) { unsignedchari,j=0,k,l; unsignedintcrc; i=bufino;rescan1: if(bufini==i)return0; if((combuf[i++])!=0xef){bufino=i;gotorescan1;} if(bufini==i)return0; if((combuf[i++])!=0x01){bufino=i;gotorescan1;} if(bufini==i)return0; bbs=combuf[i++]; if(bufini==i)return0; crc=l=combuf[i++]; if(l<=2){bufino=i;gotorescan1;} while(l-2) { if(bufini==i)return0; k=maincmd[j++]=combuf[i++]; crc+=k; l--; } if(bufini==i)return0; crc-=(unsignedint)combuf[i++]*256; if(bufini==i)return0; crc-=combuf[i++]; if(crc){bufino=i;gotorescan1;} else{bufino=i;return1;} }uintADC0(){

uinti,test,adval;

adval=0;

test=0;

ADCCS=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();//

DI=1;

ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();

if(CH==0)

{

DI=1;

ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1；_nop_();DI=0;ADCCLK=0;_nop_();

ADCCLK=1;_nop_();

}

}voidscancommand() { if(bufini!=bufino) { if(getcommand()) { if(bbs==1) { LED1^=1; if(maincmd[0]==1){LED1=1;LED2=1;LED3=1;} if(maincmd[0]==2){LED1=0;LED2=0;LED3=0;} } } } }voiddelay_ms(unsignedintadd) { while(add--); }voidWrite_Cs5460_Byte(unsignedchartemp){unsignedchari;Cs5460_clk=0;for(i=0;i<8;i++){Cs5460_clk=0;Cs5460_sdi=(temp&0x80)>>7;temp<<=1;Cs5460_clk=1;}Cs5460_clk=0;}voidWrite_Cs5460(unsignedchar*buff,unsignedcharn){unsignedchari;Cs5460_cs=1;_delay(10);Cs5460_clk=0;_delay(10);Cs5460_cs=0;_delay(10);for(i=0;i<n;i++){Write_Cs5460_Byte(*(buff+i));}Cs5460_clk=0;Cs5460_sdi=0;Cs5460_cs=1;}unsignedcharRead_Cs5460_Byte(){unsignedchari,tmp;for(i=0;i<8;i++){Cs5460_clk=0;_delay(2);Cs5460_clk=1;if(Cs5460_sd0) tmp|=0x80>>i;}return(tmp);}voidRead_Cs5460(unsignedcharaddress,unsignedchar*buff){unsignedchari;Cs5460_cs=1;_delay(10);Cs5460_clk=0;_delay(10);Cs5460_cs=0;_delay(10);Read_Cs5460_Byte(address);Cs5460_sdi=1;for(i=0;i<3;i++){*(buff+i)=Read_Cs5460_Byte();}tmp[k]=*(buff+1);Cs5460_clk=0;Cs5460_sdi=0;Cs5460_cs=1;}voidmain(){P1M0=0X00;P1M1=0X07;P2M0=0X00;P2M1=0X40;P3M0=0X00;P3M1=0X00;init(); while(1) { scancommand(); }}基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S