智能家居中的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 圍0100%RH響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)緩流空氣4S遲滯177。而在本系統(tǒng)中,通過濕度傳感器對(duì)濕度信息的采集,再經(jīng)由PC的處理后,對(duì)加濕器進(jìn)行控制,即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。當(dāng)光線過強(qiáng)時(shí),可以控制窗簾自動(dòng)合起,反之則可以控制其打開或電燈打開。程序設(shè)計(jì)要簡單,數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。 (1)Chipcon公司(目前已被TI公司收購)推出的CC2420,用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee各種產(chǎn)品。IPLinkl270系列模塊內(nèi)嵌的ZigBee 。圖41中心控制結(jié)構(gòu)圖(1)電源部分設(shè)計(jì)本部分的設(shè)計(jì)采用外部5V直流電源供電。以節(jié)省能耗，它分別連接在CC2430的P44和P43口。其中,PCB天線低成本,但性能不是特別的好,所以一般只能用于室外等較為開闊空間并且自行設(shè)計(jì)出效率高的天線設(shè)計(jì)困難:Chip天線體積小性能中等,成本中等:Whip天線性能好,屬于全向天線,能使系統(tǒng)可靠性大大提高。其引腳接口功能和接口電路如表42所示。本系統(tǒng)采用通道6(P0_6)作為按鍵輸入模擬信號(hào)的采集通道。因此,在系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域較大或者信號(hào)微弱時(shí),可以采用增加路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的覆蓋,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。綠色表示可表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),供用戶自己定制其表示的功能。數(shù)據(jù)采集部分由傳感器模塊和信號(hào)調(diào)理模塊組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理信號(hào)的采集、信號(hào)的轉(zhuǎn)化、處理，提高信號(hào)的精確度。該電壓主要為傳感器模塊提供工作電壓。 通常報(bào)警傳感器輸出的是開關(guān)型信號(hào),當(dāng)檢測量超過某個(gè)閾值時(shí),傳感器輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)觸發(fā)報(bào)警。DATA(串行數(shù)據(jù))用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA與SCK兩根信號(hào)線分別與CC2430的Pl_l和P1_2相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度超過600 ppm時(shí),短期內(nèi)會(huì)引起窒息死亡。它采用微型ChipLED無鉛表面封裝,它是業(yè)內(nèi)體積最小的器件之一,。圖418 亮度傳感器信號(hào)采集電路圖由圖418可知,光傳感器輸出電壓信號(hào)經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器以后被送到同向放大器進(jìn)行放大處理。LH91L的工作電壓為12V,其工作原理如下圖419所示。本章小結(jié) 本章主要做了以下幾個(gè)方面的工作：,選擇合適的開發(fā)平臺(tái)；,包括:天線、電源、按鍵、LCD顯示、串口；；,包括:電源及電源管理單元,不同類型傳感器的信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)。（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,應(yīng)用層定義了兩種數(shù)據(jù)服務(wù)傳輸格式:KVP(鍵值對(duì))和MSG(消息)。指令集如表52所示。表54 消息內(nèi)容為3/4個(gè)字節(jié)的格式信息類型(IT,Information Type) 數(shù)據(jù)大小(Value)(I字節(jié)) (2/3字節(jié))0x0l 節(jié)點(diǎn)地址信息(2字節(jié))+節(jié)點(diǎn)角色信息(1字節(jié))0x02 節(jié)點(diǎn)能量信息(2字節(jié))0x03節(jié)點(diǎn)采集周期(2字節(jié))0x040xFF 擴(kuò)展保留 在ZStack中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí),操作系統(tǒng)抽象層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)AF INCOMING MSG CMD事件通知,用戶只需要在該事件下對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理即可。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí),已選用串口0與管理中心的通信,對(duì)其串口0的配置如下所示： =TRUE； =HALUART_BIU38400。如：“03796F”“04”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+周期值(2字符)對(duì)指定節(jié)點(diǎn)設(shè)置采樣周期。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量信息到管理中心。//將16進(jìn)制數(shù)據(jù)的字符串轉(zhuǎn)為整形 void strcpy(char* msgl,char* msg32)。//LCD顯示字符串?dāng)?shù)據(jù)void send cmd(intn)。 路由器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的接受、發(fā)送。//等待50ms MicroWait(50000)。下面分別對(duì)各個(gè)指令的執(zhí)行程序介紹。為此,系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)為不同的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定了不同的采樣延遲時(shí)間,以保障系統(tǒng)獲得精確的采樣數(shù)據(jù)。 在完成上述啟動(dòng)時(shí)序后,主機(jī)發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼,該命令碼包含3個(gè)地址位(默認(rèn)地址位為“000”)和5個(gè)命令位(如表45所示)。在隨后8個(gè)SCK周期下降沿,從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)。SHT11傳感器采集部分的程序如下表56所示：表56 SHT11傳感器數(shù)據(jù)采集程序列表函數(shù)名功能說明void SH_start(void) SHT11的啟動(dòng)子程序；void SH_ACK(void)SHT11發(fā)送應(yīng)答位子程序void SH_NOACK(void)SHT11發(fā)送非應(yīng)答子程序，使數(shù)據(jù)傳輸過程結(jié)束void check_ACK(void)CC2430應(yīng)答檢查子程序，使數(shù)據(jù)傳輸過程結(jié)束void SH_send Byte(uint8 ch)發(fā)送～個(gè)字節(jié)uint8 SH receive Byte(void) 接收一字節(jié)void Init SHT(void) 初始化SHT11Void SH_Measure Tem(void)發(fā)送測量溫度命令，調(diào)用后應(yīng)延遲void SH_Measure Hum(void) 發(fā)送測量濕度命令，調(diào)用后應(yīng)延遲int Read Data(void)讀測量數(shù)據(jù)char本系統(tǒng)ADC數(shù)據(jù)量化可利用協(xié)議棧自帶的API函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取,其分辨率選擇為8位。下面將分別針對(duì)這兩種傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。分辨率為12位時(shí),本部分的數(shù)據(jù)計(jì)算將在管理中心程序中執(zhí)行。當(dāng)該位置1時(shí),濕度的分辨率為8位,溫度的分辨率為12位。在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿,主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)。從機(jī)在一個(gè)啟動(dòng)時(shí)序后就可以開始傳輸數(shù)據(jù),其在啟動(dòng)時(shí)序序如圖55所示。當(dāng)其輸出為低電平時(shí),模擬開關(guān)斷開了各個(gè)電源的輸出。隨后,該節(jié)點(diǎn)斷開數(shù)據(jù)采集模塊的電源并進(jìn)入指令等待狀態(tài)。根據(jù)ZStack中對(duì)電池能量級(jí)別的定義,系統(tǒng)的能量分為8級(jí),即{, , , , },節(jié)點(diǎn)能量檢測程序如下所示： uint8 (void) { uint8 vdd_pass_n=0。如果是管理中心發(fā)送的指令信息，控制中心節(jié)點(diǎn)將解析該指令,并根據(jù)指令中包含的信息將指令發(fā)送到指定的節(jié)點(diǎn)。 //菜單界面程序； Uint8 getmykey(void) 。//串口接收回調(diào)函數(shù) char*longtochar(long n,char *buf)。如：“02796F3”“03”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+能量級(jí)別(1字符)。根據(jù)以上對(duì)控制中心節(jié)點(diǎn)的功能介紹,下行數(shù)據(jù)指令信息及其格式如下表55所示：表55 下行數(shù)據(jù)指令信息格式指令(2字符)負(fù)載(變長) 說明“01”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)命令該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)計(jì)人員在使用的過程中,只需要對(duì)該單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲镁涂梢哉{(diào)用該單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，數(shù)據(jù)對(duì)象D0表示對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)長度大小為2個(gè)字節(jié)。在ZStack中,應(yīng)用程序可以通過解析接收到的消息中的簇信息,分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。同時(shí),為了方便用戶使用,控制中心節(jié)點(diǎn)也可以單獨(dú)作為手持終端使用,直接通過按鍵與LCD顯示屏觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)其檢測到入侵信息時(shí),提供開關(guān)型信號(hào)量輸出。一般情況下,該傳感器的輸出端處于常開狀態(tài)。由于光傳感器在lK歐姆負(fù)載下輸出的電壓信號(hào)微弱,為了更精確的測量環(huán)境的光照信息,本文還設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路,其放大倍數(shù)可以通過調(diào)整變阻器來滿足實(shí)際需求。放大電路如圖417所示。在生活中,當(dāng)環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w濃度超過100 ppm(100x106)時(shí),人體就會(huì)產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感。SHTll的命令集如表43所示。 1. SHT11溫濕度傳感器工作過程SHTll采用12C的工作方式,系統(tǒng)由兩個(gè)信號(hào)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。目前,市場上傳感器模塊種類繁多,不同廠家生產(chǎn)的傳感器模塊的規(guī)格與集成度也各不相同。該電壓主要為CC2430與運(yùn)算放大器AD8544提供工作電壓。因此,這三部分的電路設(shè)計(jì)可以完全按照路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。紅色表示電源工作正常。放大器的不同輸出電壓經(jīng)過ADC 6通道轉(zhuǎn)換為不同的數(shù)字值后,通過軟件中斷來判斷是否有鍵按下以及通過轉(zhuǎn)換的數(shù)值判斷按鍵的類型。每個(gè)不同的按鍵產(chǎn)生不同的模擬電壓,ADC通過判斷采集的電壓的數(shù)值范圍從而確定按鍵的輸入。圖47 串口部分電路圖(5)LCD顯示模塊設(shè)計(jì) LCD顯示部分采用2X16的字符型液晶顯示模塊。PF P,TxRx Switch,RF N分別為CC2430的42,43,44號(hào)管腳。其電路原理圖如圖42所示。控制中心節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色,主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立,節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。可以靈活的嵌入到既有的產(chǎn)品中,輕而易舉實(shí)現(xiàn)無線感測和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。在射頻收發(fā)芯片方面,主要有Chipcon公司的CC2420[17],CC2430[18]和FreeScale公司[19]的MCl3192，MCl3193所提供的兩大解決方案。故要求系統(tǒng)的安全性； （3）外觀:由于要安裝在家庭各個(gè)地點(diǎn),故要求其盡量小巧,美觀； （4）可擴(kuò)展:能根據(jù)用戶的不同需求,隨時(shí)增加或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)置。10%長期漂移：2%/每月推薦負(fù)載值：10Ω線性度輸出：線性使用壽命3年 （4）亮度 亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個(gè)房間里的光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)。濕度 人類對(duì)濕度雖然不是特別敏感,但其時(shí)時(shí)刻刻亦影響著人們的健康,尤其是老年與兒童。表31 SHT11性能參數(shù)表參數(shù)條件最小典型值最大單位濕度分辨率%RH81212bit重復(fù)性177。當(dāng)然在實(shí)踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容,來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn),而只需做小許改動(dòng)即可。其包括初始化程序,發(fā)射程序和接受程序。(1)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。第3章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),通過對(duì)傳感器技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的綜合運(yùn)用,得以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測,從而間接地為用戶創(chuàng)造一個(gè)健康的,舒適適宜的居住環(huán)境。l 從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來執(zhí)行和確定發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理、綁定管理,以及安全管理等作用。(2)應(yīng)用層框架 為存在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境的是ZigBee中的應(yīng)用框架。要求設(shè)備具有斷開網(wǎng)絡(luò)的能力和具有連接一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的能力,以建立一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器； :需要具有發(fā)現(xiàn)、匯報(bào)和記錄相鄰設(shè)備信息的能力； :ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器具有分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的能力； :具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力； :具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力,即控制接收機(jī)接收信息時(shí)間的長短和什么時(shí)候來接收信息,以此來保證MAC層的正常接收和同步等。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)與之不同,它是通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP)來提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的。在CAP期間發(fā)送數(shù)據(jù)楨時(shí),首先設(shè)備要鎖定下一個(gè)退避時(shí)隙的邊界位置,然后在等待隨機(jī)個(gè)退避時(shí)隙后,若檢測到信道處于忙的狀態(tài),則需要再等待隨機(jī)個(gè)退避時(shí)隙,再次試著接入信道。其實(shí)不難理解,信標(biāo)幀在整個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中的地位就好比燈塔的導(dǎo)航作用一樣,不僅界定了超幀的起始,通過信標(biāo)幀可以設(shè)定固定分配時(shí)隙周期的有無及其長度,這實(shí)際上決定超幀的構(gòu)架,如果不存在信道固定分配周期的話,所有的數(shù)據(jù)傳送完全通過CSMA/CA競爭機(jī)制來接入信道。基于競爭的信道接入方式采用了CSMA/CA信道競爭機(jī)制,而對(duì)于一些有特殊要求的數(shù)據(jù)傳送,則采用的是分配固定有保證時(shí)隙(GTS)的方式接入信道。對(duì)于每個(gè)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包,R1是第一個(gè)原始比特,計(jì)算E1時(shí)則設(shè)E0=0。IEEE ,它們分別為： （1）通過判斷無線信號(hào)的特征來評(píng)估信道空閑判斷。LLC子層則可以通過使用SSCS的服務(wù)接口來訪問IEEE 。 （2）ZigBee終端設(shè)備(ZigBee End Device):其一般的簡化的功能設(shè)備。另外,因?yàn)閆igBee技術(shù)的速率要求低,協(xié)議內(nèi)容簡單,從而節(jié)省了開發(fā)的成本； （3）功耗低。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立,而2002年下半年,Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟,以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn),ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。主要研究了ZigBee協(xié)議中各個(gè)部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并對(duì)各層中的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析。但當(dāng)采用有線技術(shù)方案時(shí),根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn),它存在一些缺點(diǎn),如下面幾項(xiàng)所示:(1)系統(tǒng)布線麻煩。設(shè)計(jì)好環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)對(duì)于構(gòu)建智能家居系統(tǒng)和提高用戶的生活環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義。智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11所示。人們希望通過這種技術(shù)將家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器和家庭安防等裝置連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或異地監(jiān)視、控制和管理，保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)一致，從而滿足用戶對(duì)居住環(huán)境的需求。因此，智能家居環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)功能的重要組成部分與基本條件,是提供用戶安全、舒適、便捷生活的重要手段。雖然現(xiàn)在的各種有線技術(shù)亦能夠?qū)Νh(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測與處理,讓各種監(jiān)測設(shè)備之間進(jìn)行連接通信。此課題旨在設(shè)計(jì)出一款能夠快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確連續(xù)地測出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強(qiáng)度等的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),使用基于ZigBee短距無線通訊技術(shù),環(huán)境信息采集模塊與顯示終端實(shí)現(xiàn)無線通信,省去了傳統(tǒng)布線的麻煩。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigBee形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息,一只一只的傳遞下去,此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家,他們的研發(fā)實(shí)力都很強(qiáng),好多公司均已在二零零三年正式推出自己的ZigBee