基于無線傳感器網絡的多功能智能家居系統研究與設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 測量環境參數，如溫度、濕度、煙霧濃度等。從可靠性方面考慮，選擇抗干擾能力強、能夠應用在比較苛刻環境中的傳感器；從經濟方面考慮，低成本的傳感器更適于推廣。綜合而言，所選用的傳感器應具有成本低、損耗低、高性能的特點。（1）DHT11數字溫濕度傳感器DHT11能夠同時采集溫度和濕度，并且具備已校準數字信號輸出。這種傳感器采用傳感技術及數字模塊采集技術進行正確的數據采集，使之可靠性和穩定性都得以提高。DHT11性能指標有：濕度測量范圍為 20%～90％RH；溫度測量范圍為0～50℃；工作電壓 ～ V；轉換時間小于5s。DHT11與STC12C5A60S2連接的電路如圖34所示。測溫元件和感濕元件構成了溫濕度傳感器的主要部件，傳感器與具有高性能的八位單片機連接。DHT11的管腳定義如表32所示。DHT11傳感器因為體積小、功耗低、傳輸距離比一般的傳感器遠等優點，所以經常被應用在一些較為苛刻的場所，同時該產品引腳封裝為SIP4，方便了電路中的連接，也可以根據用戶需求設計特殊的封裝。圖34 DHT11連接電路表32 DHT11引出管腳定義引腳號名稱注釋1PINVDD2PINDATA串行通信，單總線3PINNC空腳，懸空4PINGND接地，電源負極DHT11為單線制數據格式，即輸入輸出雙向傳輸由單個數據引腳端口完成。其數據包由5Byte (40Bit)組成。數據分小數和整數兩部分，一次完整數據的傳輸為40bit，分別包括濕度整數位和小數位、溫度整數位和小數位、校驗位，其中高位先輸出。（2）煙霧傳感器本設計中采用電化學氣體傳感器ZYMQ2型氣敏元件作為信號采集的器件。氣敏元件是傳感器中的重要部件，而氣敏元件的性能直接影響了監測結果的好壞。常見的氣敏元件大致可分為兩類：一種是半導體式，另一種電化學式，由于電化學元件比半導體元件的靈敏度要高、壽命長、功耗更低以及更穩定等優點，故本設計中采用電化學氣敏元件ZYMQ2型。當環境中含有液化氣、酒精、氫氣、煙霧等氣體時，氣敏元件的電導率隨此類氣體濃度的改變而改變，呈線性方式改變。它與STC12C5A60S2連接的電路如圖35所示。它的原理圖如圖36所示。圖35 煙霧傳感器連接電路 圖36 煙霧傳感器原理圖煙霧傳感器輸入給STC12C5A60S2的是模擬信號，處理器通過其片內自帶的A/D轉換讀取煙霧傳感器信號。 電源模塊設計本設計中使用12V直流電源供電。當電源供電時，由交流電壓220V變到直流電壓12V的電源模塊供電?！话闶褂?V，所以要把12V電源降壓到5V電源，設計中采用LM7805芯片來實現降壓。LM7805無需輸入電容，為了穩定器件，在穩壓器與地之間接了一個固態鉭電容，這一電容大小值為10181。F；～，來改善負載瞬態響應和噪聲抑制功能。電源電路如圖39所示。圖37 電源電路 顯示模塊電路本設計采用的是LCD12864作為顯示模塊。用于顯示溫濕度和氣體濃度。LCD12864是128*64點陣顯示，內置簡體中文字庫和128個字符，每個漢字由16*16點陣顯示、每個字符由8*16點陣顯示。LCD12864與處理器有兩種連接方式：分別為并行與串行。但一般我們采用并行傳輸方式，在本設計中也采用并行傳輸方式。LCD12864和單片機的連接圖如圖310所示。圖38 LCD12864電路圖如圖310所示LCD12864電路圖，LCD的RS、RW和E分別與STC12C5A60S2的P3_P3_6和P3_4相連接，D0—D7與P0_0—P0_7相連接。滑動變阻器調節LCD的亮度。其代碼流程圖如39。圖39 LCD12864代碼流程圖 本章小結本章主要對本設計進行了硬件研究。硬件方面主要包括核心芯片的選型、傳感器的選型、電源供給設計、顯示模塊的選型和設計等。本設計中STC12C5A60S2芯片內有AD轉換，所以當一些傳感器輸入為模擬量時，不需要再外接AD轉換芯片，減小了功耗和成本，溫濕度傳感器DHT11與煙霧傳感器MQ2達到了節點低成本、低功耗的基本要求，當測到的參數超過預定的范圍時，外界設備會產生響應，硬件要求在給定的溫度、濕度、氣體濃度等外部條件下，能夠穩定地工作。4 軟件設計本設計使用的軟件有：編程軟件keil、仿真軟件Proteus、繪制原理圖軟件Protel 99 。Keil是一款用于單片機的C語言編程軟件，在我國八成以上的硬件工程師都使用keil軟件進行研發。Proteus是全球知名的仿真軟件，其建立了完備的電子設計開發環境，軟硬件的交互仿真與測試大大減少后期測試工作量，便利項目管理與團隊開發。Protel 99 SE是80年代末推出的EDA軟件，雖然已經經過經過了幾十年，但在電子行業依然有廣泛的應用，用于電路的原理圖繪制，以及繪制電路板，是電子設計者的首選軟件。，可以與keil一起使用，進行調試，并且帶有串口助手，方便對單片機串口的輸入輸出進行觀察。圖41為本設計編程流程圖。圖41 編程流程圖5 系統測試 系統測試方案 系統功能測試是研發的一個必要的步驟。制定合適的測試方案，可以發現和調整原有設計方案的缺點，并加以改進，達到設計的預期功能。實驗中我們根據所設計的多參數監測要求以及外界設備響應，著重測試多參數傳感器所測闡述和設備響應的能力，需要一部手機和藍牙串口軟件，在以上硬件和軟件的環境下構建了實驗平臺。實驗平臺的實物照如圖51所示。 圖61實驗平臺的實物圖 傳感器參數測試 本設計中有溫濕度傳感器DTH11和煙霧傳感器MQ2，圖62為傳感器所測得的環境信息在LCD12864上面顯示。當在溫濕度傳感器上加熱時，LCD上顯示的溫度上升，在煙霧傳感器上面加瓦斯的時候，其在LCD上顯示濃度上升，在溫濕度傳感器上加濕的時候，LCD上顯示濕度上升。圖62 LCD12864顯示圖 外界設備測試外界設備有3個燈，三個風扇和一個步進電機，三個風扇分別模擬降溫，加濕和降低濃度，步進電機模擬窗簾。3個燈通過手機藍牙助手分別通過發送“4”、“5”和“6”的開關；當溫度大于設定值時，降溫風扇便自動打開，反之則關閉，也可以通過手機藍牙助手發送指令“7”來控制是否打開；當濕度小于設定值時，加濕風扇便自動打開，反之則關閉，也可以通過手機藍牙助手發送指令“8”來控制是否打開；當濃度大于設定值時，通風風扇便自動打開，反之則關閉，也可以通過手機藍牙助手發送指令“9”來控制是否打開；手機藍牙指令“1”、“2”和“3”來控制步進電機的正轉、反轉和停止。通過測試，手機藍牙助手指令和傳感器參數的改變可以控制外接設備的開關。 藍牙助手測試手機藍牙助手可以通過指令控制外界設備的開關，通過發送指令“0”可以遠程查看現場的環境信息。圖63為發送到藍牙助手環境信息。圖63 手機藍牙助手 本章小結基于無線傳感器網絡的多功能智能家居系統研究與設計的室內多參數監測利用溫濕度傳感器和濃度電阻傳感器于以測量溫度、濕度、氣體濃度變化，利用采集的數據，在LCD12864顯示相關參數。該裝置可實現對室內的溫度、濕度、氣體濃度進行24小時不間斷采集，若溫度、濕度、氣體濃度測試數據超過設定值時，及時調節外接設備，來控制環境參數。并能通過手機控制外界設備，也能通過手機查看環境參數。結 論 本文總結 智能家居是目前全球研究的一個熱點問題，它的應用前景比較廣泛，集合了眾多學科與技術，如傳感器技術、無線通信技術、網絡技術等。同時智能家居技術被認為是21世紀會產生巨大影響力的技術，所以世界各地的科研人員極為重視智能家居技術。 結合多參數監測的要求和室內環境的特點，把無線 傳感 網絡 技術 應用到智能家居系統中，具有很好的實際應用價值。本文的研究實現了基于無線傳感器網絡的多功能智能家居系統進行了研究與設計，主要工作概括如下： （1）針對是室內環境多參數監測的需求以及無線傳感網絡的特點，構建了室內無線傳感網絡模型，提出了基于無線傳感網絡的室內多參數監測設計方案。 （2）重點研究了溫濕度傳感器DTH11與煙霧度傳感器MQ2于用于監測室內環境。硬件方面，采用片內自帶AD轉換的STC12C5A60S3芯片作為核心部件。同時當有參數超過預設的范圍時外接設備將產生響應。（3）實現了與手機終端相連接。 課題展望 雖然本文對基于無線傳感器網絡的多功能智能家居系統進行了研究與設計，實現了一些基本功能，但是更實用和完善的智能家居系統還需要深入地探究下面一些問題： （1）穩定本文設計的智能家居系統，是在實驗室內部的測試?，F實中要對應到實際生產應用的用于家庭，在各種條件下，進行測試，還要做進一步的試驗，所以系統的穩定性也是將來必須重點考慮的問題。（2）拓展功能為了滿足有大中型樓層的需要，需要拓展無線網絡，實現更大面積的監測?？梢酝ㄟ^增加路由節點的方式，使得傳感節點經過多跳的方式到達匯聚節點，從而形成更大范圍內的監測和網絡拓撲結構。 （3）實現節能 傳感節點一般放置在無人值守的環境中，所以更換電源比較麻煩，因此怎樣設計低能耗無線傳感器網絡，也成為進一步研究的重要內容。參 考 文 獻[1] 童曉渝，房秉毅