基于ZigBee技术的家居环境监测系统设计

杨 峰，张志森，文 枰

（四川文理学院 a.国有资产管理处，b.智能制造学院；四川 达州 635000）

基于ZigBee技术的家居环境监测系统设计

杨 峰a，张志森a，文 枰b

（四川文理学院 a.国有资产管理处，b.智能制造学院；四川 达州 635000）

随着人们的生活水平不断提高，对家居智能化和安全性等要求越来越高。介绍了一种基于ZigBee网络的家居环境监测系统的设计，系统主要包括传感器模块、无线数据传输模块和PC端管理中心三个部分。首先说明了系统的整体设计方案；然后分别完成了系统中的硬件电路设计、软件编程和管理界面的设计；最后对设计的系统进行了测试试验。试验结果表明：该系统的性能稳定，温度检测的相对误差在1%以内，湿度检测的相对误差在0．5%以内，CO检测的相对误差在3%以内。

ZigBee技术；智能家居；温度检测；湿度检测；CO浓度检测

0 引言

室内温度、湿度以及有毒、有害气体如甲醛、一氧化碳等因素对人的情绪和身体健康影响非常大[1-3]。随着生活水平不断提升，人们对家居环境的智能化监控、舒适度提升以及安全性保障等方面的追求也越来越高。如何在技术领域实现对家居环境的实时监控，并通过监控系统对环境变化做出快速反应，从而保障家居环境的舒适性、安全性，具有重要意义。

要实现对家居环境的智能化监控，就必须在家庭内部建立一个通信网络。目前，建立通信网络的方式有2种：一是有线通信，二是无线通信[4-5]。前者存在着布线困难、影响美观等问题。无线通信方式组网就不存在这些问题。对于家庭内部网络来说，信号传输距离较短，特别适合使用无线网络进行通信。目前，短距离无线通信技术主要有红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术以及ZigBee技术等[6-9]。与其它传输网络相比，基于ZigBee技术的无线传输网络具有成本小、功耗低、多终端连接等优点。

本文探讨一种基于ZigBee网络的家居环境智能监测系统设计[10-12]。通过传感器节点对室内的温度、湿度和CO浓度实时采集，采集的数据通过ZigBee无线网络发送到控制中心节点，再通过串口线将数据发送至PC端管理中心：一方面，用户可在管理中心界面看到室内环境的详细信息；另一方面，当有火灾险情时，系统能及时发出警报，通知用户进行安全排查及处理。

1 系统设计总体方案

整个系统分为硬件设计和软件设计2部分，包括数据采集、数据传输和PC端管理中心等模块。数据采集由传感器和执行部件来完成。采用ZigBee无线传输网络的星型网状拓扑结构实现数据的传输[13]。

采用温湿度传感器、一氧化碳传感器对相关数据进行采集。终端节点负责将采集到的数据传输给协调器，并执行协调器的命令。协调器节点负责对整个网络传来的数据进行处理：一方面，如果温度或者一氧化碳浓度超过设定的上限，则将相应的标志位置1，否则置0；另一方面，也根据温度和一氧化碳浓度的标志位来综合判断是否发生火灾：当温度和CO浓度的标志位中只有一个为1时，发出警报I；当二者的标志位均为1时，发出警报II。同时，协调器也将数据传送到PC机，再通过人机交互界面将室内的湿度、温度和一氧化碳浓度等信息显示出来，方便人们实时了解室内环境的情况。

2 硬件设计

2.1 传感器模块设计

温湿度传感器采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度传感器。该传感器芯片内部包含一个14位的A/D转换器，可以输出完全标定的数字信号。温湿度传感器将采集到的数据以二进制形式存储在数据寄存器中，在SCK引脚上的串行时钟控制下，数据通过DATA引脚送入CC2530中，再由CPU根据修正公式将温湿度数据进行修正。温湿度传感器SHT10通过P0.5和P0.6与CC2530相连。图1为SHT10电路连接原理图。

CO传感器采用的是TGS2442，它是一种电阻式半导体气体传感器，具有功耗小、成本低、灵敏度高和寿命长等优点。TGS2442的驱动电路分为加热回路和测试回路2部分，加热回路的电压VH加在加热层的2个电极之间，测试回路的电压VC加在敏感层的两极及与之串联的电阻2端。图2为其内部电路原理图。

图1 SHT10电路连接原理图

图2 CO传感器电路原理图

当传感器检测到CO气体时，其内部的电阻RS的阻值会发生变化：CO浓度越大，RS阻值越小。由电路原理图可知，通过测量传感器的输出电压就能测出CO的浓度。CO传感器与终端节点的连接原理如图3所示。

图3 CO传感器电路连接原理图

2.2 ZigBee模块设计

系统由ZigBee无线传输网络来进行数据的传输，承担整个系统通信的责任。ZigBee传输网络包括一个协调器节点和多个终端节点。

ZigBee节点采用TI公司生产的CC2530芯片实现。CC2530分为3个端口，共21个数字输入/输出引脚，其中P2.3和P2.4用于和32KHz晶振的连接，其他引脚均可外接传感器信号。

设计分别用芯片的P0.5、P0.6、P0.7与温湿度传感器、CO传感器的信号输出端连接。

2.3 电源模块设计

由于终端节点分布较为分散，考虑到芯片参数指标、底板功能的实际情况及安装的便捷性，终端节点采用正3 V干电池供电。终端节点模块结构如图4（a）所示。协调器节点与PC机通过USB接口相连为协调器节点提供正5 V直流电，同时也通过这种方式进行数据传输。协调器节点的模块的结构如图4（b）所示。

图4 节点模块示意图

3 软件设计

3.1 ZigBee节点的软件设计

系统以TI公司提供的Z_Stack模板为基础，在用户任务函数处添加需要实现的功能函数。

系统设计的运行流程是：首先，终端节点对外部传感器的状态进行扫描；然后，根据扫描结果判断是否要执行命令，并将获得的数据以点播形式传送到协调器节点；最后，终端节点进入睡眠模式，经过5 s后再进行传感器状态扫描。按照这种模式不断循环周期执行，达到实时监控的目的。

协调器节点以广播的形式向终端节点发送信息。终端首先根据信息的地址进行判断：若信息是传输给自己的，则根据信息内容执行相应的动作，否则，就将收到的信息丢弃。终端节点发送给协调器节点的数据包括传感器采集的数据和自身的编号，协调器根据编号来鉴别接收的是哪个节点发送过来的数据以及发送过来的数据的类型，以便于后期对不同数据进行处理。我们用T代表温度，W代表湿度，CO代表一氧化碳。如1T25，表示1号节点采集的温度为25℃。

为防止恶意攻击或者其他用户的无线网络节点的误接入，系统设计采用固定PANID和AES方式加密。AES加密密匙有128位、192位和256位三种长度。对于智能家居控制系统来说，采用128位加密就完全可以满足要求。ZigBee节点程序运行流程如图5所示。

图5 程序设计流程图

3.2 PC端管理中心设计

PC端管理中心是采用Labview编写的人机交互界面。Labview软件采用框图式的编程，编程灵活、简便、可移植性强。编写好的界面不仅可以打包安装到没有安装LabView软件的计算机上使用，而且还可以发布到Web网页上，实现远程监控。

图6 家居环境监测系统管理界面

设计的系统管理界面如图6所示。界面上实时显示每一个房间的温度、湿度和CO浓度信息。当某一参数偏离正常范围或者通过判断发现有火灾险情时，相应的状态指示灯就闪亮。

4 试验及结果分析

试验使用了6个ZigBee模块组成星型网络拓扑结构。一个协调器节点放在客厅，5个终端节点分别放置在5个不同的房间。

4.1 系统稳定性测试

系统的稳定性测试主要是针对终端节点和协调器节点之间通信传输可靠性的测试。在试验中，通过串口调试助手，分别对5个终端节点进行数据传输测试。终端节点每隔5 s就发送一次数据到协调器。对每个节点分别采集记录1 000组数据。试验结果如表1所示。

表1 数据传输可靠性测试

从试验结果中可以看出，协调器节点分别接收到5个终端节点发送的数据次数都为1 000次，传输成功率都达到100%，数据在传输过程中没有出现丢包现象，证明设计的系统具有很强的稳定性。

4.2 系统功耗测试

无线传感器节点采用2节五号干电池供电，供电电压为+3 V。表2是功耗测试结果。

表2 功耗测试结果

通过测量可以计算得出：两节五号干电池正常工作时间可以达到6～7个月，最大化地满足了系统低功耗性能的需求。

4.3 数据采集测试

试验用设计的系统检测室内的温度和湿度，然后与ZOGLAB的便携式温湿度仪DSR-THEXT检测的结果数据进行对比，结果如表3所示。

表3 温湿度检测结果

由表3可见，测试温度的相对误差在1%以内，湿度的相对误差在0.5%以内。

在房间内燃烧泡沫，然后利用所设计的系统对室内的CO浓度进行检测，同时用安帕尔AP-G一氧化碳检测仪的检测结果作对比，结果如表4所示。

表4 co体积分数浓度检测结果

由表4可见，随着CO浓度的增加，检测结果的相对误差也在逐渐减小，总体相对误差在3%以内。

5 结语

本文释试了一套基于ZigBee无线传输网络的智能家居环境监测系统的设计。首先对系统的硬件和软件设计进行了详细的介绍。然后用设计的系统分别进行了稳定性测试和数据采集实验，试验结果表明：5个终端节点到协调器节点数据传输的成功率为100%；温度检测的相对误差在1%以内，湿度检测的相对误差在0.5%以内，Co检测的相对误差在3%以内。

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The Home Environment Monitoring System Design Based on ZigBee

YANG Fenga,ZHANG Zhi-sena,WEN Pingb
(a.NationalAsset Management Office;b.School of Intelligent Manufacturing,Sichuan University ofArts and Science,Dazhou,Sichuan 653000,China)

As the living standards continue to improve,smarter and safer house environment are highly required. This paper introduces a kind of house environment monitoring system based on ZigBee network.The system consists of three parts:sensor module,wireless data transmission module and PC management center.Firstly,the design scheme of the system is completed;then,the hardware circuit design,software programming and the human-machine interface design are carried out respectively;finally,the system was tested by experiments.The experimental results show that the system performs robustly while the relative error of temperature,humidity and carbon monoxide is within 1%,0.5%and 3%respectively.

ZigBee technology;smart home;temperature measurement;humidity measurement;CO concentration detection

TN929.5；TP274

A

1673-1891（2016）04-0025-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.04.007

2016-09-14

四川省教育厅重点项目资助（15ZA0318）。

杨峰(1986—）男，四川通江人，助教，硕士，主要研究方向：仪器科学与技术及其应用。