环境监测有关专科开题报告范文跟基于ZigBee的家居环境监测系统设计相关论文范例

《基于ZigBee的家居环境监测系统设计》

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摘要：针对家庭网络的特点以及室内环境监测的要求,系统利用无线传感网络中ZigBee 技术的低功耗、低成本和低复杂度等特点,用CC2530 芯片、SHT11 温湿度传感器及MQ-2 气体传感器等节点,在ZigBee2006 协议栈的基础上开发出家居终端监测系统.系统利用终端节点将采集的数据上传至协调器,协调器将数据发送到上位机,上位机可实时显示环境数据供用户观察.实验表明,利用ZigBee 技术可降低系统复杂度并节约成本,实现对终端的区域化灵活控制.

关键词：无线传感网络；CC2530；传感器；监测系统

中图分类号：TP368 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2018）07-65-3

0 引言

随着人们生活水平的提高,家庭居住环境受到越来越多的关注.为提高家居环境的舒适度,对环境状况的监测成了人们关注的现实技术,基本的家居环境监测包括对室内温湿度和气体的监测.家庭网络对应用之间的分布范围要求低,而对可靠性、低成本、低功耗等方面要求高,ZigBee 这种短距离无线传感技术就能很好地应用于家庭网,同时它自组网自愈合的特点能提高系统的灵活性[1],无线技术又能省去总体布线上的工作量,降低家庭布网复杂度；本文设计了基于ZigBee 的温湿度和气体监测系统的方案,利用PC 机上收集的从终端上传的数据,用户可远程、实时地监测家居设备和环境,从而提高用户使用的便捷性,提高人们的生活质量.

1 系统总体设计方案

1.1 系统结构设计

系统由无线传感网络模块和用户监测模块构成,其中无线传感网络模块包括了室内各终端节点、路由器和协调器,用户监测模块为上位机监测[2],总体结构如图1 所示,终端节点将采集到的数据传输给协调器,协调器通过串口与上位机相连后上传或者接收数据,用户监测模块则可以实时显示从终端上传的数据.

1.2 系统网络拓扑研究

ZigBee 支持星型、树型和网状3 种网络拓扑结构[3].协调器是3 种网络拓扑结构中必不可少的,负责发起和维持网络,保障各节点之间的信息传输.在树型和网状网络拓扑结构中,路由设备则起到了扩大网络覆盖范围的作用,相比于星型网,网络覆盖范围可以增加到10 倍以上[4].考虑到家庭网络覆盖范围较小以及节约存储空间及成本等方面,系统采用树型网络拓扑结构,如图2 所示.

2 系统硬件设计

系统的无线通信模块选用的是德州仪器公司推出的CC2530 芯片,能支持的可编程闪存达8 KB RAM,输出功率可达4.5 dBm[5],灵敏度高、抗干扰性强,结合德州仪器的网络协议栈Z-Stack,可以提高开发效率；另外,它有多种供电模式,能有效降低能源消耗,满足家庭无线网络中超低功耗的需求.

系统的终端节点模块主要由SHT11 温湿度传感器、MQ-2 气体传感器、继电器和蜂鸣器组成,2 种传感器的技术参数如表1 所示.

① SHT11 集成了温度和湿度2 种传感器,具有高精度、高反应速度及体积小等特点,与CC2530 连接之后就能采集温湿度,操作简单.

② MQ-2 传感器可以监测室内液化气、甲烷、丁烷及烟雾等气体,对它设定气体阀值之后,若气体浓度在设定的阀值以下,则输出高电平,模拟接口的电压显示为低电压；若气体浓度超过限定阀值,数字接口输出低电平,电压值则会变大,由此驱动继电器控制气体开关和蜂鸣器进行报警.

3 系统软件设计

3.1 ZigBee 协议的实现

ZigBee 协议是一种短距离无线通信协议[6],低功耗和低成本的特点满足家庭网络应用的要求.系统下位机软件程序是基于德州仪器公司推出的Z-Stack 协议栈,利用IAR 集成开发环境开发的.其中,Z-Stack 协议栈中的路由协议可以解决协调器的网络组建问题,而调用Z-Stack 协议栈中的API 可以完成协调器与上位机之间的通信.

3.2 ZigBee 节点的软件设计

协调器节点主要负责组建和维持网络,组建网络成功后,协调器节点的LCD 屏上会显示网络ID 号并对终端节点发来的入网请求作出响应.若协调器地址空间未满,它就会给终端节点分配网络地址,接收终端节点发来的数据并通过串口与上位机通信,通过中断返回,形成一套循环监测机制,实时监控数据[7].协调器节点软件操作流程如图3 所示.

终端设备初始化之后,寻找可用的ZigBee 网络并发送入网请求,当收到协调器响应之后,终端节点将地址ID 发送给协调器.入网后,终端周期性地将采集的数据发送给协调器,终端节点软件操作流程如图4 所示.

4 测试结果与分析

上位机是利用Visual C++6.0 开发的监测平台,功能主要是实时显示温度和湿度,并显示出温湿度的趋势走向图,同时显示监测的气体状态.设备上电之后,将电暖器接近传感器后离开,温度变化曲线如图5 所示,将加湿器接近传感器后迅速离开,湿度变化曲线如图6 所示.预先设定好预警值后,气体传感器监测空气中的气体浓度,上位机平台根据气体浓度是否超过预警值,显示气体状态.

实验中用SmartRF Studio7 软件测试并结合实际温湿度的比较,在室内环境中,温湿度曲线变化状态与温湿度计相符.当通信距离小于100 m 时,通信的丢包率趋近于0%；而当通信距离大于100 m 时,出现丢包现象,并且丢包率随着通信距离的增加而变大.

5 结束语

系统简要介绍了ZigBee 无线传感网络的创建、软硬件的设计以及对系统进行的测试分析,实验结果表明,系统节点灵活,在短距离传输中运行稳定,具有较好的实时性,并且符合家庭监测网中低功耗及自动化程度高等特点.

参考文献

[1] 詹良.基于ZigBee 技术的智能家居无线网络系统[D].北京:北京邮电大学,2008.

[2] 杨瑞峰,王雄,郭晨霞,等.基于ZigBee 无线传感网络环境监测系统设计与应用[J].电子器件,2017,40(3):760-765.

[3] 周岭松,余春暄.基于ZigBee 技术的温、湿度控制系统[J].电子测量技术,2011,34(6):47-50.

[4] 马骏.基于ZigBee 技术的嵌入式监控系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2009.

[5] 沈建明.基于ZigBee 的温室大棚的温湿度检测系统[D].西安:西安工业大学,2013.

[6] 庞娜,程德福.基于ZigBee 无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报,2010,28(1):55-60.

[7] 刘继忠,敖俊宇,黄翔.基于ZigBee 的水质监测无线传感器网络节点[J].仪表技术与传感器,2012（6）64-68.

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