基于zigbee的家庭环境监测系统的设计

江苏联合职业技术学院淮安生物工程学院 张兆朋南京信息工程大学大气物理学院 黄建松徐州市气象局 张方方



基于zigbee的家庭环境监测系统的设计

江苏联合职业技术学院淮安生物工程学院 张兆朋
南京信息工程大学大气物理学院 黄建松
徐州市气象局 张方方

【摘要】针对当前家庭环境监测的不足，提出了利用传感器检测家庭的环境，利用ZigBee无线技术进行数据传输，采集到的信息传输到控制器MSP430，控制器接受信号后进行判断、处理，遇到危险情况进行报警处理并把信息显示在小区物业管理办公室的点阵屏，同时通过串口发送到GPRS模块，把信息传到业主手机，实现对家庭环境进行实时监测，经测试，系统检测功能良好，能够完成对家庭环境的监测，排除了家庭居室的安全隐患，同时稍加修改可用于实验室或者仓库等的监控。

【关键词】ZigBee；传感器；MSP430；物联网

0　引言

现在居民楼很高，一旦发生火灾后果不堪设想，煤气中毒、甲醛等有害气体超标，粉尘过量等都会影响人们的身体健康，特别目前过敏性咳嗽的小孩比较多，部分是环境不良引起的，所以时刻监测家庭环境有助于避免灾害发生，有利于人们的身体健康，目前的家庭有毒气体检测仅仅限于有毒气体的检测显示或者是报警，但晚上人们睡着时无法看到显示，报警又会打扰别人，并不能够自动排除家庭里有毒有害气体从而会导致人中毒，特别是现在高层楼房比较多，一旦失火，消防的云梯到达不了高层，会带来较大的损失。但有限监控较多这样不仅增加了维修难度还影响了美观，摄像头监控可能会导致业主隐私外泄，导致业主不愿意使用监控。

本文利用了ZigBee技术，采用多种传感器，开发设计了家庭环境监测系统，解决了传统监测的不足，具有安全、可靠的特点。

1　总体设计与原理

图1　家庭环境监测总框图

本系统利用传感器检测有害气体、电气、火灾和粉尘浓度等，ZigBee节点与监控终端连接接收数据后传给ZigBee协调器，协调器接数据传递给控制器MSP430，控制器接收信息后进行判断，超过一定数值进行处理，发出报警等并把信息显示在务业管理员办公室的点阵屏上，同时通过GPRS模块发送到主人手机。

2　硬件设计

本系统主要用到了传感器（烟雾传感器、红外探测器、甲醛传感器等），控制器采用MSP430，ZigBee无线模块等，利用传感器采集信息，通过ZigBee协调器进行传输实现智能监测。

2.1检测部分

检测部分利用传感器用来检测家庭环境，同时把检测到的信息进行传输。用到的传感器有温湿度传感器、甲醛传感器、烟雾传感器、粉尘传感器、红外探测器、CO传感器、火焰传感器。

利用传感器检测家庭居室的环境，其中粉尘传感器选用的是DSM501，检测粉尘含量，甲醛传感器检测甲醛含量，粉尘和甲醛对人们身体造成很大的危害；烟雾传感器和火焰传感器检测是否失火，其中火焰传感器主要通过测量火焰辐射发出的红外线或者紫外线强度及频率来判断火焰是否发生及测量其强度；温湿度传感器选用SHT11，温度量程为-40℃-123.8℃，分辨率为0.01℃，测量精度为±0.4℃。湿度量程为0-100%RH，分辨率为0.03%RH，测量精度3%RH；红外测温探测器将线路中散发的红外辐射能量转化成电信号，根据温度判断是否会出现电气火灾；CO浓度的监测选用TGS5042传感器，用来检测煤气是否泄露。各种传感器进行检测室内的环境。

2.2ZigBee模块

ZigBee具有低功耗、低成本、网络节点多的特点，广泛应用于远程控制。

ZigBee组网的无线接收芯片选用的是TI公司的CC2530，该芯片功耗低、成本低，并且集成了一个高性能射频收发模块和一个单片机，还支持Z—Stack协议栈。

传感器检测到的信息发送到ZigBee节点，然后发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器相当于一个信息中转站，将节点发送来的信息发送到控制器MSP430。

2.3控制部分

图2　控制部分硬件图

传感器检测到的信息通过CC2530传送给控制器MSP430，控制器将接收的信息进行处理，当超出规定值时进行报警，如果检测到电气火灾及时切断电源并把信息传送到物业办公室显示在点阵屏上，通过GPRS传到主人手机，同样发生火灾和煤气泄露等都把信息传给物业和业主，及时采取措施，避免财产人员受到损失，当家中有发生液化气泄露的情况时，厨房内的检测终端检测到有毒有害气体时，控制打开阳台窗户上的电机，开窗通风排出有害气体防止煤气中毒。

2.4执行部分

执行部分即通过电机运转打开窗户的部分，控制器引脚输出电流小，无法使电机运转，通过继电器实现间接控制，实现小电流控制大电流，弱点控制强电。当煤气泄露，单片机对应引脚电平改变，控制继电器工作，运行电机，打开窗户排除有害气体，避免煤气中毒；当发生火灾时，扬声器发出响声报警，提示有情况发生；同时把信息显示在点阵屏上。

3　软件设计

监测模块在完成MCU及传感器初始化之后首先判断各类传感器的工作状态，如有异常则通过Zigbee节点模块向控制中心发送传感器故障信息，以便及时维修或更换传感器。如一切正常，节点模块开始采集传感器数据，利用Zigbee节点模块向控制中心发生监测数据。

主控制器MSP430单片机及其外围电路完成初始化之后，通过串口中断接收Zigbee协调器的数据，进而加以判断。如数据超出阈值则发出报警信息，及时处理警情；如数据处于正常区间则将数据显示在显示设备上。

图3　节点程序流程及主控程序流程

4　安装调试

系统采用的传感器放在合适的位置，火焰传感器放在厨房和客厅，温湿度传感器放在卧室和客厅，电气传感器放在入门处；甲醛传感器放在卧室；粉尘传感器放在客厅；温湿度传感器放在客厅。采集到的信息反映到家里的点阵屏上，安全方面的信息传送到主人手机并传到物业办公室的点阵屏上发出报警。

检测部分供电可以采用电池供电也可以采用市电供电，执行部分电机的供电需采用市电供电，并且开关电源功率要比较大，可以满足打开电机使电机运转，否则会出现打火但电机不转的现象，无法打开窗户。

通过软件在电脑上设置业主接收的手机号码，一旦家里发生火灾等把信息传送到手机。工作模式设置为出差模式、休息模式和正常模式，出差模式是当有异常情况出现，信息发送到物业报警提示的同时把信息发送到业主手机；休息模式，当出现煤气泄漏，直接打开窗户，排除有害气体；正常方式是出现异常情况扬声器直接发出响声。

5　结论

本文利用ZigBee技术，通过各种传感器检测家庭环境，实现对家庭环境的实时监测和处理，避免对人们生命财产安全带来损失，有利于人们的身体健康。该系统运行稳定，实时性高，误差很小，可以满足日常监测需要。

参考文献

［1］刘向举，刘丽娜.基于物联网的室内环境监测系统的研究［J］.传感器与微系统，2013：37-39.

［2］高鹏，郑超等.ARM和ZigBee的智能家居监控网络设计［J］.计算机测量与控制，2014：3206-3209.

［3］吴霞，王燕杰，李弘洋.基于STC单片机的紫外火焰探测器设计［J］.计算机测量与控制，2007，7：1264-1280.

［4］段振刚等基于ARM11的机房环境监控报警系统的设计与实现［C］.计算机测量与控制，2014：4133-4136.

［5］刘向举，刘丽娜.基于物联网的室内环境监测系统的研究［J］.传感器与微系统，2013：37-39.

［6］赵阳荣，王斌，姜重然.基于ZigBee的智能农业灌溉系统研究［J］.农机化研究，2016：244-249.

作者简介：

张兆朋（1980—），男，江苏沛县人，硕士，讲师，主要从事智能控制方向的研究。