1、基于zigbee技术的家居环境监测系统的设计与实现毕业设计说明书论文 推荐基于ZigBee技术的家居环境监测系统的设计与实现摘 要：环境是人们赖以生存的必要条件，随着现代化信息技术的迅猛发展和提高，人们对自己的生活环境有了更高的要求，希望自己的生活环境健康、舒适。近些年，特别是人类在信息技术上的快速发展，使得各种无线通信技术有了前所未有的突破，无线技术在智能家居上的应用将越来越广泛。因此，本文利用ZigBee技术设计出了这种无线家居环境监测系统。该系统中，传感器节点（即终端节点）可以选择温度、湿度、亮度等传感器，并且可以根据需求添加或减少传感器节点。所以本文无线网络终端模块选用的CC2530芯
2、片为平台，以实现信息数据的接收与发送。此芯片内置8051内核的单片机内核，并有一定的内存空间，故只要加上些少许外围电路就可以实现功能，无需再加单片机。在数据接收端（即协调器节点）收到的数据处理传送到PC机上显示。为了让用户方便监测数据，本文在PC机上设计了显示界面，让人们更加方便操作及监测数据。本系统运行可靠，能正确获取环境数据，实现实时监测。关键词：ZigBee;无线传感器网络;环境监测;智能家居DesignandRealizationofHouseholdEnvironmentMonitoringSystemBasedonZigBeeTechnologyAbstract：Environme
3、nt is a necessary condition for survival. With the rapid development and improvement of modern information technology, people have higher requirements for their living environment. They hope they live healthily and comfortably. During recent years, especially the quick development of information tec
4、hnology which enables all kinds of wireless communication technology to improve unprecedentedly. So,the thesis utilizes ZigBee technology to exploit and design the wireless home environmental monitoring system. In the system, the sensor node(as well as terminal node) can choose temperature, humidity
5、, brightness etc. Therefore, the wireless network terminal module of the thesis choose the CC2530 chip as the platform for realizing receiving and sending of the information data. The chip has a single chip with 8051 core and has certain memory space. Thus, it can realize its function by adding a li
6、ttle peripheral circuit without extra single chip. The received data processing in the data receiving terminal(that is coordinator node) send to PC for peoples real-time monitoring. The thesis designed the display interface in PC for peoples operation and data monitoring conveniently. The system wor
7、ks reliably which can obtain correct environmental data and realize real time monitoring.Keywords： ZigBee;Wireless sensor networks; environmental monitoring; smart home前言自人类诞生以来，人们一直都在努力改善和提高着自己的生活和居住条件。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
8、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(Smart Home)1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2，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
9、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
10、舒适度具有非常重要的意义。第1章 绪论1.1 本文的研究背景随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出，无线的优势也越来越明显。其中ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力2。将设备数据采集之后再通过无线ZigBee网络进行传输是ZigBee技术在工业现场环境中的一种应用，这种新兴的技术必将给工厂现代化注入新的活力。传统的工业数据采集与控制系统，其数据传输一般以工业控制总线
11、作为介质，以致大都局限于本地的近距离范围之内应用。随着国民经济发展，企业及机构的管理规模不断扩大，其需要管理与控制的对象更趋多样性，甚至具有流动性，分布的范围也涉及到不同的地域。为了对这些分散的对象进行有效的集中管理，对远程及移动数据采集与控制的需求也就日益迫切3-4。ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域，必将在工业自动化等领域得到广泛的应用5。数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于ZigBee网络平台之上，将成熟技术的稳定性和新技术的便捷性充分结合起来，这种结合对于工业现场十分必要。减
12、少了在某些场所有线网络布线以及工人人工采集数据的不便，同时可以方便的于各种传感器搭配用于不同的场合6。 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：温度、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
13、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。1.3 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。此课题旨在设计出一款能够快速、实时、准确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等的环境监测系统，使用基于ZigBee 短距无线通讯技术，环境信息采集模块与显示终端实现无线通信，省去了传统布线的麻烦。根据以上介
14、绍，本文的主要研究如下：(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。1.4 开发工具及开发环境的介绍1.4.1 系统
15、软件开发环境介绍IAR Embedded Workbench(简称 EW)的C/C+交叉编译器和调试器是目前为止是业界较易使用和较完整的的专业嵌入式应用开发工具。EW 对不同的微处理器提供了统一的直观用户界面。EW 今天已经可以支持35种以上的8位/16位/32位的各种微处理器结构。EW包括：嵌入式C/C+优化编译器，编辑器，连接定位器，汇编器，库管理员，C-SPY 调试器中和项目管理器。使用IAR的编译器可以得到较紧凑简介的代码，从而节省硬件资源，最终得以最大限度地降低产品的成本，从而以提高产品的竞争力。EW8051 目前是IAR公司发展较快的产品，EW8051 已经发展到了8系列版本，并且
16、在同类产品中具有明显价格优势。其编译器可以对一些SOC 芯片进行专门的优化. 如Atmel,TI,ST,Philips。除了EW MCS-51标准版外，IAR 公司还专门为ARM、MP430等微处理器开发出专门的版本，方便了不同客户的需求。IAR System是嵌入式领域唯一能够提供这种解决方案的公司。EW支持35种以上的8位/16位/32位的微处理器结构。它配合TI公司的仿真器可以直接将程序下载到CC2530中7。IAR Embedded Workbench集成的编译器主要产品特征： 完全兼容标准C语言。 内建对应芯片的程序速度和大小优化器。 高效PRO Mable 代码。 目标特性扩充。
17、瓶颈性能分析。 高效浮点支持。 便捷的中断处理和模拟。 工程中相对路径支持。 版本控制和扩展工具支持良好。 内存模式选择。本文使用的是IAR EW 8.10的版本的软件，其与Windows XP系统的兼容性很好，在国内研究CC2X30系列芯片的人应用此软件较多。图1-1为IAR Embedded Workbench 8.10的软件界面。图1-1 IAR软件界面1.4.2 上位机软件开发环境介绍Qt是一个跨平台的C+图形用户界面库，有挪威TrollTech公司开发，目前包括Qt/X11、基于Framebuffer的Qt/Embedded、快速开发工具Qt Designer以及国际化工具Qt Li
18、nguist等。人们所熟知的Linux下面的KDE环境就是基于Qt开发而成的。Qt支持Unix和Linux系统以及Windows系统。Qt的主要特点有：面向对象，很容易扩展，并且允许真正的组件编程；Qt对各个模块进行了良好的封装，使各模块可重用性较好；优良的跨平台特性，使用Qt类编写的程序可以实现“一次编码，到处编译”，极大的降低了跨平台开发的难度；构件支持，对于对象间通信Qt没有采用函数回调的方法，而是采用了一种全新并且可选的被称为“信号与槽”的对象间通信机制，通过一个对象信号的发射，另一个槽函数的响应，使各个对象之间的通信安全而且高效。Qt的这些特点使它非常适合于真正的构件编程，同时使各个
19、组件之间的协同工作变得十分简单，并且Qt是直接基于Xlib的，不依赖Motif工具包，所以它的执行效率比一般的基于平台的代码的执行效率要高。图1-2为Qt的软件界面图1-2 Qt软件界面第2章 ZigBee技术的概述2.1 ZigBee技术的概念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Zig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
20、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8。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联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术
21、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（PHY）和媒体控制层（MAC）技术标准的IEEE 802.15.4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2.4GHz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
22、速率是250kb/s，而若当其速率降到28kb/s时，传输半径可扩大到134米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用9。2.2 ZigBee技术的特点ZigBee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
23、。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；另外，因为ZigBee技术的速率要求低，协议内容简单，从而节省了开发的成本，目前常州市场CC2X
24、X0等芯片的零售价格在2030元之间不等。(3) 功耗低。它的超低功耗也使得在应用中三节1.5v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65，000多个节点的网络。(5) 数据传输速率低。只有10kb/s250kb/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15m
25、s，而搜索设备延时时间达到10。2.3 ZigBee网络设备组成和网络结构根据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 Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee终端设备(ZigBee End Device)。他们的功能分别如下：(1) ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)：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
26、发来的信息。(2) ZigBee路由器(ZigBee Router)：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(ZigBee End Device)：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(Star)，网状结构(Mesh)和簇树型结构(ClusterTree)，图2-1所示。图2-1 ZigBee网络拓扑结构图在星状结构中无论是路由器
27、或终端设备都是直接与协调器进行通信，而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11。2.4 ZigBee的协议分析2.4.1 网络层（NWK）ZigBee网络层的主要功能就是确保ZigBee的MAC层(IEEE 802.15.4)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
28、实体。通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP），网络层的数据实体（NLDE）得以提供数据传输服务；网络层管理实体(NLME)与之不同，它是通过网络层管理实它体服务接入点(NLME-SAP)来提供网络管理服务的。网络层管理实体则是利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络信息库(NIB)理是网络层管理实体完成的。 1、网络层数据实体（NLDE） 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或多的设备之间进行数据传送任务时，则是按照应用协议数据单元(APDU)的格式进行传送的，并且所有的这些设备必须是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。网络层数据实体提供的服务如下三项：(1) 指定
29、拓扑传输路由，网络层数据实体发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的接受设备，此设备可能是一个在通信链路中的中间通信设备，也可能是最终的目的通信设备。(2) 生成网络层的协议数据单元(NPDU)：通过增加一个适当的协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。(3) 安全：确保通信的机密性和真实性。 2、网络层管理实体（NLME）络层管理实体允许应用与堆栈相互作用，并且提供网络管理服务。网络层管理实体提供了以下的几种服务：(1) 配置一个新的设备：设备应具有足够的堆栈来保证其正常工作的需要，并且满足配置的需要。配置选项包括对连接一个现有网络设备或一个ZigBee协调
30、器的初始化的操作。(2) 初始化一个网络：使设备有能力建立一个新的网络。(3) 连接和断开网络。要求设备具有断开网络的能力和具有连接一个新的网络的能力，以建立一个ZigBee协调器或者路由器。(4) 邻居设备发现：需要具有发现、汇报和记录相邻设备信息的能力。(5) 寻址：ZigBee协调器和路由器具有分配地址给新加入网络的设备的能力。(6) 路由发现：具有发现并且记录传送信息的网络路由的能力。(7) 接收控制：具有控制设备是否处于接收状态的能力，即控制接收机接收信息时间的长短和什么时候来接收信息，以此来保证MAC层的正常接收和同步等。2.4.2 应用层（APP）应用层主要由用户根据具体的应用进
31、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 (Application Support Sub1ayer，简称APS)子层、ZigBee设备对象 (ZigBee Device Object，简称ZDO)和制造商定义的应用对象。1、应用支持子层APS层提供了这样的接口：在NWK层和APL层间，从设备对象到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体得以实现：APS管理实体(APSDE)和APS数据实体APSDE。(1) APSME通过APSME服务接入点(APSME-
32、SAP)；(2) APSDE通过APSDE服务接入点(APSDE-SAP)。APSDE提供了多种服务给应用对象，维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB，同时这些服务包括绑定设备和安全服务。APSDE则提供在同一个网络中的两个或多个应用实体间进行数据通信的服务。2、应用层框架为存在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境的是ZigBee中的应用框架。其最多可以定义240个较为独立的应用程序对象，任意一个对象的端点编号都是从1到240。另外还有两个附加的节点终端为了APSDE-SAP的使用：端点号0专门应用于ZDO数据接口；而另外一端的端点号255则专门应用于所有应用对象广播数据的数据接口；最后，端点241-254则是要保留给有需要扩展的时候使用的。3、ZigBee设备对象ZigBee设备对象(ZDO)，描述了一个基本的功能函数，这个函数为在应用对象、设备profile和APS之间提供了一个接口
