基于ZigBee 技术的智能家居环境信息监测系统设计

朱丽敏

（厦门南洋职业学院，福建 厦门 361000）

0 引言

随着科技的进步，人们生活水平的改善以及社会对卫生、舒适家居生活的要求提高，智能家居环境监测系统的市场需求愈来愈大，概念越来越受到关注。这种系统能够提供便捷、舒适和高效的生活环境，通过自动化和智能化设备进行能源管理，实现节能减排。在智能家居系统中，环境监测是一个重要的组成部分，通过对家居环境进行实时监测，可以让人们了解室内空气质量、温度、湿度、光照等参数，为人们提供更加健康、舒适的生活环境。智能家居系统可以实现远程控制和自动化管理，提高生活的便利性和舒适度。ZigBee 技术作为一种低功耗、高传输速率的无线通信技术，在智能家居环境监测系统中具有广阔的应用前景。本文基于ZigBee无线通信技术设计了一套智能家居环境监测系统。

1 基于ZigBee 技术的智能家居环境监测系统

1.1 系统总体方案

本文所述系统主要由ZigBee 终端采集（控制）节点、ZigBee 协调器节点和上位机（监控端）组成。终端采集节点负责采集环境数据，协调器节点负责接收和转发数据，上位机负责数据接收、数据显示及控制信号发布。系统总体方案如图1 所示。

图1 智能家居环境监测系统总体方案

智能家居环境监测系统的功能模块主要包括终端采集节点、终端控制节点、协调器节点以及上位机。终端采集节点采集家居环境的温度、湿度、光照、空气质量等数据，利用ZigBee 无线通信技术将数据发送给协调器节点。终端控制节点利用ZigBee 无线通信技术接收协调器节点的控制信号，控制灯、风扇灯等执行设备开和设备关。协调器节点接收终端采集节点发送的数据，通过串口传输给上位机。协调器还负责建立和维护ZigBee 网络，保证数据的可靠传输。上位机通过串口接收数据并进行显示和分析，还可以根据用户需求对家居设备进行控制，如开启风扇、调节灯光等。

1.2 核心技术简介

1.2.1 ZigBee 技术

ZigBee 是一种短距离、低速率的无线通信技术，过去被称为“HomeRF Lite”和“FireFly”技术，现在统一称为ZigBee 技术[1]。ZigBee 技术能够实现近距离无线连接，属于无线网络通信技术，主要特点是低功耗、低成本、高传输速率和可靠性，被广泛应用于日常通信传输[2]。

在本系统中，ZigBee 技术主要起到两个作用：一是建立网络连接，ZigBee 协调器可以建立和维护ZigBee 网络，终端采集（控制）节点通过ZigBee 网络与协调器通信，从而建立数据传输的通道；二是数据传输，ZigBee 技术可以实现终端采集（控制）节点与协调器节点之间的数据传输，包括温度、湿度、光照、空气质量等家居环境数据。

ZigBee 技术为智能家居环境监测系统提供了一个有效的实现方式，使得对家居环境的实时监测和控制成为可能。

1.2.2 Qt 跨平台开发环境

Qt 是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，提供给应用程序开发者建立图形用户界面所需的所用功能。Qt 具有优良的跨平台特性，提供丰富的应用程序接口（Application Programming Interface，API）。在工程项目开发中，使用Qt 进行程序开发，极大地降低了使用者的学习成本[3]。

智能家居环境监测系统设计选择Qt 作为图形交互开发工具，可以满足系统的多平台支持需求，提高系统的可移植性和实用性。Qt 工具丰富的图形控件可以满足人机交互需求，实现数据显示、参数设置、控制操作等功能。Qt 具有优美的界面设计和良好的用户体验、强大的网络通信功能、开放源代码、社区支持以及可扩展性。

2 系统硬件设计

2.1 主控电路模块

2.1.1 核心板硬件资源

CC2530 核心板[4]主要包括CC2530 单片机最小系统、晶振、天线接口以及引出的输入输出（Input Output，IO）扩展接口。CC2530 是ZigBee 无线通信的芯片，需要高频、低频两个晶振。高频晶振的频率为32 MHz，低频晶振的频率为32.768 kHz。射频收发电路的功能是无线发送和接收终端采集（控制）节点的数据。核心板电路如图2 所示。

图2 CC2530 核心模块电路图

2.1.2 底板硬件资源

电源电路采用5 V 电源通过直流-直流（DCDC）降压芯片得到3.3 V 工作电压。还可以采用1节3.7 V 锂电池供电，方便用户进行室外无线网络的数据通信测试，通过外接的5 V 电源进行充电。

按键和LED 电路模块用于相关状态的输入按键如复位、现场控制指令的发送等，还用于表示电路的工作状态的指示灯，如组网状态、网络信号情况、数据传输状态等信息。

本系统通过串口接入上位机，通过通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）转串口电路实现计算机USB 接口到通用串口之间的转换，为没有串口的计算机提供快速的通道。

底板还包括继电器控制电路、调试和传感器通用接口。其中传感器通用接口用于连接不同种类的传感器模块。传感器通用接口电路如图3 所示。

图3 传感器通用接口电路

2.2 信息采集节点模块设计

2.2.1 温湿度信息采集节点

本系统温湿度信息采集节点采用DHT11 数字温度传感器。DHT11数字温度传感器是一种高精度、低成本、小体积的温度传感器，具有双向二线制同步串行总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信接口和校准的数字信号输出，采用负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）热敏电阻作为测温元件，能够测量范围为-40 ～+85 ℃的微小温度变化，测温分辨率高达0.1 ℃。DHT11 还具有湿度传感器，可以同时测量温度和湿度。DHT11 数字温度传感器的使用非常方便，只需将其连接到单片机的I2C 通信接口上，即可通过单片机读取其测量的温度值和湿度值。DHT11 还具有数据校验功能，能够保证数据传输的准确性。DHT11 典型应用电路如图4 所示。

图4 DHT11 典型应用电路

2.2.2 光照度信息采集节点

本系统采用光敏电阻作为光照度信息采集节点。光敏电阻器[5]是一种对光线敏感的电阻器，其电阻值会随着光线的变化而变化。入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大。它通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成，其中光敏层由半导体材料制成。

光敏传感器的电路原理如图5 所示。LS 是光敏电阻，通过调节光敏电阻上方的可调电阻R1 来调节阈值。

图5 光敏传感器的电路原理图

2.2.3 气体浓度采集节点

本系统气体浓度采集节点采用MQ-2 型气敏传感器[6]。MQ-2 型气敏传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一种适合多种应用的低成本传感器。但需要注意的是，MQ-2型气敏传感器在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的导电率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

气敏传感器驱动电路如图6 所示。当有烟雾发生时，引脚P2.0 是高电平，发光二极管LED1 指示灯点亮，没有烟雾发生时为低电平，LED1灯熄灭。调节烟雾传感器上的电位器，可以用于监测不同的气体，设置不同的报警阈值。

图6 气敏传感器驱动电路图

2.2.4 人体信息采集节点

本系统采用HC-SR501 型人体红外热释电感应模块作为人体信息采集节点。该模块内置了德国原装进口的LHI778 探头，能够高精度地检测人体辐射的红外线，并将其转化为电信号。当人体在模块的感应范围内活动，模块会输出高电平信号；当人体离开感应范围后，模块会自动延时，并将输出电平变为低电平。

红外热释电感应模块接口电路如图7 所示。该模块电路外围共有3 个引脚，分别是电源VCC、接地GND 和输出引脚。其中，输出引脚输出的高电平为3.3 V，低电平为0 V，与单片机I/O 口直接相连。当I/O 口检测到高电平，说明当前有人进入；检测到低电平，则表示没有人进入。

图7 红外热释电感应模块接口电路图

3 系统软件设计

3.1 协调器节点模块设计

协调器建立ZigBee 无线网络后，终端节点自动加入该网络。终端节点周期性地采集环境数据并将其发送给协调器。协调器收到数据后，通过串口将数据输出给PC 机，同时转发PC 机发送的数据给终端节点。协调器的工作流程如图8 所示。

图8 协调器工作流程图

3.2 终端节点模块设计

终端节点需要周期性地采集环境数据，还需要接收协调器转发的PC 机控制命令，从而实现对相关硬件的控制操作。终端节点的工作流程如图9 所示。

图9 终端节点工作流程图

4 上位机监控交互界面设计

4.1 上位机交互界面功能模块框架

上位机交互界面通过Qt Creator 跨平台开发环境搭建。上位机功能模块分为两个部分，一个是环境信息采集模块，另一个是执行器控制模块。软件功能模块设计结构如图10 所示。

图10 软件功能模块结构图

4.2 串口通信编程

本系统包含一个ZigBee 协调器节点和若干个ZigBee 终端通信节点。ZigBee 终端通信节点和PC端之间的通信与数据传输都必须通过ZigBee 协调器节点中转，而ZigBee 协调器与PC 端之间通过RS-232 接口连接进行串口数据传输。所以利用Qt进行ZigBee 采集控制系统功能开发需要串口通信编程实现。Qt 中没有特定的串口控制类，一般来说，常用以下两种方案实现[7]。一是基于Windows 系统或者Linux 系统接口编写串口类，由于串口类是自己编程实现的，功能可以根据设计需求扩充，因此可扩展性较强，但对开发者来说，要求编程水平较高。二是利用第三方串口控制类qextserialport 类，实现在Windows 系统或者Linux 系统下的串口通信。

本系统使用第三方的qextserialport 类，实现ZigBee协调器与PC 端之间的串口数据传输。qextserialport 类中相关文件存在继承关系，如图11 所示。

图11 qextserialport 类继承关系图

4.3 窗体界面设计

在界面设计中，添加5 个QComboBox 空间完成对串口通信参数的设置，2 个QPushButton 按钮实现打开串口和关闭串口控制，多个QGroupBox 控件实现环境信息显示，执行器控制管理。具体各项空间说明如表1 所示。

表1 项目各项控件说明表

5 系统测试

使用本系统时，可选择联动模式或者手动模式监测室内温湿度、光照度等信息，系统监测界面如图12 所示。两种模式均可实现对温湿度、光照度、热红外及烟雾的自动监测，还可以查看执行设备的执行情况。通过图12 系统测试情况可知，在联动模式下，当光照度低于设置值，系统会控制打开灯泡及窗帘；在手动模式下，可以通过按键控制执行设备。本系统可以直观展示室内环境信息的实时情况，实现居家人员可以根据系统展示的信息控制执行设备，对室内环境进一步管理与调控。

图12 系统监测界面

6 结语

ZigBee 技术的低功耗、低成本、高传输速率等优点使得本系统具有较强的实用性和市场竞争力。随着科技的不断进步和人们需求的不断变化，智能家居环境监测系统需要不断地进行升级和完善。未来发展方向包括提高系统的智能化程度、拓展更多的监测参数和应用领域以及降低系统的成本等。未来，可以在现有系统的基础上进行优化和扩展，比如通过网关接入互联网，数据上云平台，以满足更多用户的需求。