一种基于ZigBee的家居环境质量评测系统设计

石林

摘要：文章以一种基于ZigBee的家居环境质量评测系统的设计展开探讨，首先对其进行了概述，接着从系统分析、硬件设计、软件设计三个方面讲述了具体构建，着重阐述了设计的理念、设计中所需要的设备及可能的技术支持。

关键词：ZigBee;家居环境;质量评测系统;系统分析;硬件设计;软件设计 文献标识码：A

中图分类号：TP332 文章编号：1009-2374（2016）04-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.007

随着时代发展和社会进步，人们在追求住房的同时，现在更注重品质化的生活享受，从物质、精神、技术多层面都有了较高要求。因此，在家居环境质量方面就相应需要有对适应性、安全性等方面的实际检测系统，比如较为流行的“智能家居”理念，即是对该方面的一个实际统称，作为家居环境质量评测系统，在实际的操作中，需要监测的项目较多，然而其整体的设计与安装等都更加复杂，技术难度更大，标准要求也更高，因此，需要细致分析，以下就对其进行具体的讨论。

1 概述

自20世纪90年代以来，以计算机为基础的互联网络技术渐渐开始引领时代潮流，不但改变了人们的生存方式，也给人们的生活形态带来了诸多大的变革。在家居环境质量的监控方面，出现了智能家居的新型理论，同时由于各种交叉学科的发展，在家居环境的设计方面有了更大的融合性。伴随其逐步演变，到现在，已经出现了诸多有关节能环保的材料，同时也出现了更为节能的技术。以我国的智能家居品牌为例，就有物联传感、智慧之家、云家等，智能家居中最重要的是关于家居质量评测系统的设计，主要目的是以此保证家居环境的安全性、简易操作性、可靠性，它可以使家居环境的品质化要求得到进一步提升，使居住质量得到提高。在传统的家居环境质量评测中，主要是以监控为主，也就是利用局域网络、蓝牙，价格高;还有一些红外控制方案，其缺点由于受限于距离与障碍物而传输控制信息较为困难，安装难度高，要求多，主要集中于技术方面;较为受欢迎，容易被接受的还有控制终端与互联网接入等，但是其复杂程度更高、扩展性能较差，价格昂贵，技术有限，很难达到高质量、好效果。然而，其中的困难主要还是模块化设计的缺乏，控制端过多、通信协议过于复杂、工作效率不高，重复性较大，尤其是在主控与次控之间的功能易于混淆;从提供娱乐功能方面来看，十分匮乏，因此，就需要在传统的ZigBee的困难基础上，对其中的问题进行探讨分析，提供一些具有针对性的解决方案，从而建立起一种真正灵活、可拓展、组网与控制相对稳定的智能家居环境控制系统，并为其提供更多的质量评测服务功能，增加其价值。在本次设计中，笔者认为，应该从整体上采用系统论的方法，对其整体先进行思维构建，通过体系化思路的分析，将其分成三大部分（传感器、ZigBee、主控器），这样便于层次去解读，然后再通过系统设计思路，将三者间的关系进行辨析，按照硬件、软件设计，将其统一在一个更大的智能一体化框架之中。

2 系统分析

所谓一种基于ZigBee的家居环境质量评测系统的设计，其实质是在传统的基于ZigBee的家居监测控制系统设计的基础上，将其中的缺点进行克服，建立起层次明晰的主控与次控关系，然后采用无线网络的设置提高其远程可操作性。在一种基于ZigBee的家居环境质量评测系统的设计中，应该明确需要进行监测的内容，具体来讲，有室内的空气质量、温度、湿度以及其他的设备、家电等的使用情况。本文中所讨论的基于ZigBee的家居环境质量评测系统的设计，主要是依靠ZigBee技术，将各传感器节点进行连接处理，从而达到对所要进行监测的对象的监测与控制。其中需要有一个协调器的设置，然后根据它将监测到的数据进行传输，即利用串口将其发送到主控器之中，然后用户即可从显示屏上根据界面的具体操作，对处理后的数据信息加以识别，从优点来看，它正好符合了上文中所说的标准及要求。

从结构来分析，家居环境监测系统的网络结构设计，需要三大主要的网络：一是传感器网络;二是本文所讨论的ZigBee网络;三是处于核心首脑地位的主控器网络。不同的网络会根据自身的功能处理不同的信息，比如，传感器就有一氧化碳传感器、甲醛传感器、温湿度传感器以及空气质量传感器，主要用来采集各种对象的信息，并对其环境参数及设备状态信息进行收集。而ZigBee网络的功能与作用主要集中于对各传感器上的信息进行采集，完成家庭无线自组网、主控机间的信息传输与接收，相当于一个中间人或者协调机构。至于主控器网络，顾名思义，即是利用串口把ZigBee网络所收集的各种数据进行接收，并且利用这些电压信号，通过自带功能将其进行转化，以所需的形式加以计算，并最终通过显示屏将结果显示出来，提醒用户具体的家居环境质量以及应该进行的操作。

该系统有效地克服了传统的有线监控系统中的弊端，运用新技术实现了无线的质量监测系统设计，具有明显的效果，而且简单易行，操作起来较为方便，用户在使用中，也可以根据这些监测结果做出相应的设备调节，从而保持室内环境的节能、适度，从而使居住变得更为舒适，享受高品质的生活。

3 硬件设计

以下分采集模块、ZigBee网络、主控模块三个部分讨论对应的硬件设备配置及其间的关系。

3.1 采集模块

在采集模块中，对于各种家居环境信息的收集所需要的设备即是传感器，其具体包括对湿度、温度等的参数监测。以湿温度传感器为例，在温度与湿度监测方面，需要有温湿度传感器来实现监测目的。在本次系统的设计中，所采用的是DHT11型号，它具有经过校准的数字信号输出，并且是湿度与温度复合型传感器，其技术专业性强，可以进行长期的工作，稳定性极高，并且安全可靠。其中，主要是利用DATA使温湿度传感器与微处理器间实现通讯，通常情况下，以单总线数据格式为基础，通讯时间设定在4ms左右，而且把数据分为两个部分（整数、小数），因而当其处于小数部分时，可以将其读出为0，这样也便于未来的扩展。从一次性可完成的数据传输来看，它主要是高位先出，一般以40位为主，它的数据格式也是X位温度整数数据加小数数据，再加相同的数位的湿度数据，最后与同位的校验和相加，这种格式，在完全精准的情况下，只要正确运行，其结果也会有固定的末X位与其相匹配。例如，当用户发送一次开始信号，该传感器即可立刻识别，并思考换其高速模式，当主机开始信号一完成，即会针对性地发出响应信号，将X位的数据传送出去，同时所触发的信号，即可被收集，最终经过用户的选择读出需要的数据信息。完成后，即会重新转换到低耗能模式。

再比如，在甲醛传感器方面，它利用进口的半导体式VOC气体式传感器，灵敏度高、稳定性强、灵活性大，其监测范围可以达到0.1ppm及以上，因而可以对空气中所含的各种有机挥发成分进行检测，如二四苯、甲醛等，都可以完全监测到。其具有轻巧便利、体积小、价格低、速度快的优点，可以将室内家居环境质量的检测推向一个更高的水平范围，从而提高其生活质量，为其品质化生活增添一分动力。在该型号的甲醛传感器检测模块之中，主要使用了微型的陶瓷管。其敏感层更易受到传感，其中的不锈钢及塑料固定物更使得敏感元件有了更高的工作条件。因其热度等可以根据浓度—电压之间的关系对其进行具体的计算，而一氧化碳传感器则不同，但是在其原理方面，都属于空气质量监测部分，因而类似度较高，只不过是在材料的选择与所需的识别器具元件方面有所不同而已，此处不进行细加说明，可以参考甲醛传感器。

3.2 ZigBee网络

在智能家居环境监测系统的设计中，ZigBee网络功能与作用主要集中于对各传感器上的信息进行采集，完成家庭无线自组网、主控机间的信息传输与接收，相当于一个中间人或者协调机构。其结构组成有两大部分：一个部分是协调器;另一个部分是终端节点，以星形状的网络拓扑结构为主。其工作运行的过程主要是利用自身的功能收集传感器中采集到的数据，使其与自身中的另一个部分，即终端工点之间发生通讯关系。与此同时，终端节点就可以通过对设备、环境等的信息数据及相关参数进行自动化识别，并展开对于这些对象的实际控制，另外，它还会与ZigBee网络中的另一个部分进行数据传输，同时，协调器所担任的任务还有通过这些信息，搭建起一个家庭网络或者使其组成网络，把终端设备中的各种数据进行接收的同时，和主控器进行通讯，从而把需要进行控制的命令发送到终端节点。

3.3 主控模块

在主控模块之中，会将协调器传送的数据信息通过串口进行接收，同时实现控制其他硬件的任务，有音频口、触摸屏等进行语音通报与人机交互;在无线通信模块之中，集中于处理其他嵌入式终端间的通信;存储用SD卡完成。当用户听到、看到该系统提供的数据时，可选择自行调节各种设备的指数或者通过设置使系统自行进行设备参数的更改，使其按照标准的所需环境设置中的具体要求完成自动化设置，从而改善不合范围的家居环境质量，为用户提供良好的生活环境。

4 软件设计

4.1 ZigBee组网设计

在ZigBee网络中的组网设计，依然是由协调器与其节点的互传信息组成，其中最为主要的还是通过主控的设置。比如，当设置一个ZigBee主控之后，即可向其下载协调器程序，然后再向其他的非主控器进行节点程序的下载，从而构成一个完整的ZigBee主控与其他多个被控，并进行信息传输的过程。

4.2 传感器的数据采集处理

在基于ZigBee技术的室内环境监控系统的设计中，可以完成监测区域的整体覆盖，因而可以达到对多点的测量、多次的测量。所以，可以通过本系统完成对浓度最高值与平均值的计算，根据设置固定周期，完全可以使预测曲线与实测结果相一致。下面通过实际的数学方法对其进行具体说明。比如，某室内拥有多个传感器节点，将其命名为N，那么从第一个传感器到第N个传感器所得到的数值之和，即可通过协调器节点进行计算，也就是说，通过节点所测数值的平均值即可得到相关监测区域内的平均浓度，其中将节点命名为X，将平均浓度命名为C，则其公式即可表述如下：

当得到平均浓度后，即可以电压—浓度间的关系函数进行非线性拟合，也就是对两者间的数值曲线进行比较，C=1/10^[volt^2/8-（191*volt）/125+2631/1000]，所以，其结果即可以通过电压—浓度关系图中的实测值与预测值所构图形的重拟合程度加以比较。

4.3 界面设计

本次研究所设计的系统，在QT界面基础上，同时可以将传感器所收集的数据信息进行显示，从而达到对各个传感器的数据的实时监测。当在主界面将各种子项设计好之后，即可根据实际的需求对各项进行点击查看，而且设置了报警按钮，若需选择，一按即可。当所有的设置完成后，用户即可体验各项质量超标时，系统所发出的警报，并实施具体的家居环境改善。另外，在每个子项中，又设置了关于温度湿度监测界面、甲醛监测界面、一氧化碳监测界面等，这样更便于查询，也更容易使其主次分明，明确各面的位置与所能发挥的主要功能，为用户的使用提供了更为便捷方便的服务功能。

5 结语

总而言之，每个时代都有着主流的精神潮流，当代社会要求信息化、智能化、简便易控的家居环境质量评测系统，而且对于设计的要求与理念随着追求品质化的生活理念的更新而有一些更为独特的要求，所以在整个的构建与设计过程中，除了具体系统流程、硬件、软件之外，还需要尽可能地在形式上进行一些创新思考，从而为家居环境提供一个更为和谐、更有创意的质量检测系统设计，从而将家居环境设计中的“智能家居”推向极致化、唯美化。

参考文献

[1] 张佩，汪镭.家居环境质量的智能监测预警系统设计[J].机电一体化，2013，（9）.

[2] 钱金伟.智能家居室内环境参数采集与控制系统的研究[J].河南师范大学学报，2014，（12）.

[3] 赵伟，韦永斌.基于ZigBee技术的室内环境监控系统的设计[J].智能建筑与城市信息，2013，（9）.

[4] 江修波.ZigBee技术及其应用[J].低压电器，2015，（7）.

[5] 丁波.基于ZigBee家居环境的监测及控制[J].电子技术，2012，（10）.

（责任编辑：周 琼）