基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统

天津理工大学本科毕业设计选题审批表天津理工大学本科毕业设计选题审批表 届：2016 学院：自动化 专业：自动化 2015 年 11 月 15 日 学生姓名刘武斌学号 20120522 指导教师佟吉钢职称讲师 所选题目基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统 题目来源 科学技术 选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等，不少于不少于 200200 字字）： 1 选题意义：无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢可以是感知和检查外部世 界的传感器，无线传感器网络中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位 置可以随意更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接，因而拥有广阔的应用前景。 本课题设计基于无线传感器的家居空气质量多点实时监测系统，目的实现对家居空气质量 多点实时监测的功能。 2 拟解决的问题：（1）无线传感器网络各检测节点（如温湿度传感器 DHT11、烟雾传感器 MQ2 等）的检测原理； （2）无线传感器网路中协调器与终端节点的组网及调试； （3）主控机 LCD 液晶屏的显示； （4）对 zigbee 协议栈的分析及应用； 3 对专业知识的综合训练情况：本课题主要是对无线传感器网络及空气质量监测系统的研 究。系统在单片机上运行 zigbee 协议栈以解决各个节点之间的通信问题。其中有：学习使 用 zigbee 协议栈的原理，仿真器的调试，串口调试，以及 IAR Embedded Workbench，proteus，zigbee Sensor Monitor 软件的使用等。 签字： 年 月 日 指导教师意见教研室主任意见教学院长意见 签字： 年 月 日 签字： 年 月 日 签字： 年 月 日 注：（1）“选题理由”由拟题人填写。 （2）本表一式二份，一份学院留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书（毕业论文）中。 天津理工大学教务处制表 天天 津津 理理 工工 大大 学学 本科毕业设计任务书本科毕业设计任务书 题目：基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统题目：基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统 学生姓名学生姓名 刘武斌刘武斌 届届 2016 学院（系）学院（系） 自动化自动化 专业专业 自动化自动化 指导教师指导教师 佟吉钢佟吉钢 职称职称 讲师讲师 下达任务日期下达任务日期 2015 年年 11 月月 05 日日 天津理工大学教务处制 一、毕业设计内容及要求 毕业设计内容：毕业设计内容： 无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢可以是感知和检查外部世界的传感器， 无线传感器网络中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随意更改， 还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接，因而拥有广阔的应用前景。传感器网络节点是 无线传感器网络的基本构成单位，主要负责对周围信息的采集和处理，并发送自己采集的数 据给协调器节点。本课题为基于无线传感器的家居空气质量多点实时监测系统设计，整个系 统由智能家居的网关和 zigbee 无线网络节点组成，通过对家居卧室、客厅、厨房及卫生间 等的居室内空气质量及温湿度等信息进行采集，然后发送给 CC2530 进行组网最后送给 LCD 屏显示。若系统检测到有毒有害气体或空气质量超标则报警，并带动继电器节点的排风扇进 行通风，以保证家居空气质量良好。 毕业设计要求：毕业设计要求： 1、查阅文献资料，了解无线传感器网络技术。 2、学习并掌握 CC2530 开发板的工作原理及其应用。 3、利用 CC2530 设计网络检测节点（如温湿度传感器 DHT11、烟雾传感器 MQ2 等）。 4、无线传感器网路中协调器与终端节点的组网及调试。 5、进行系统综合调试，保证系统顺畅运行。 6、完成毕业论文和答辩。 参考文献：参考文献： 1基于 CC2530 及 ZIGBEE 协议栈设计无线网络传感器节点 浙江万里学院 章伟聪， 俞新武，李忠诚 2基于 CC2530 的 ZIGBEE 网络节点设计 山东轻工业学院 李新 3基于 CC2530 的 ZIGBEE 通信网络的应用设计 电子科技大学 李俊斌，胡永忠 4无线通信系统与技术 人民邮电出版社 潘焱，田华，魏安全 5认知与协作无线通信网络 人民邮电出版社 谢显中 6zigbee 无线传感器网络设计与实现 化学工业出版社 王小强 7ZigBee 技术实践教程:基于 CC2430/31 的无线传感器网络解决方案北京航空航天 大学出版社 高守玮 8CC2530 中文数据手册 二、毕业设计进度计划及检查情况记录表 序号起止日期计划完成内容实际完成内容 检查日期 检查人签名 1 2015-11-06 2015-11-30 了解题目、收集设计资料。 2 2015-12-4 2015-12-31 学习无线传感器网络的相关 知识，考虑系统方案设计。 3 2016-1-1 2016-3-6 提出系统设计方案，熟悉所 用软件，完成开题报告。 4 2016-3-7 2016-3-14 学习 zigbee 协议栈的知识并 运用相关软件。 5 2016-3-15 2016-4-7 选择合适传感器，如温湿度 传感器、烟雾检测传感器等； 准备中期检查。 6 2016-4-8 2016-4-30 毕业实习。 7 2016-4-30 2016-5-23 编写程序，进行软件设计调 试。开始撰写论文并交初稿。 8 2016-5-24 2016-5-27 论文定稿及装订。 9 2016-5-28 2016-6-3 检查论文，准备并完成答辩。 注：（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。 （2）毕业设计（论文）任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕 业设计说明书（毕业论文）内。 天津理工理工大学本科毕业设计开题报告 届：2016 学院：自动化 专业：自动化 2016 年 3 月 1 日 毕业设计 题目 基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统设计 学生姓名刘武斌学号20120522 指导教师佟吉钢职称讲师 一、一、 课题的意义与课题的意义与国内外发展方向国内外发展方向 1、家居空气质量多点实时监测系统的意义 随着社会的进步，生活质量的提高，人们对室内环境的空气质量提出了更高的要求， 家居环境也越来越受到人们的关注。人们约有 80%的时间是在室内工作、学习、休息，因 此，室内空气环境质量的好坏直接影响着人们的身体健康。由于大部分装修材料、室内装 饰品、室内设施等多由有机物合成，可挥发性有机物气体扩散恶化了室内空气品质，此外， 世界范围内的节能性要求以及建筑材料的密闭性的提高，从而减少了室内外空气的流通， 使得室内空气质量对人们生活、健康的影响明显高于室外的空气质量。作为家居智能化的 核心部分智能家居控制系统也越发显得重要。家居智能化控制的开发和建设是未来国 家、经济发展的必然趋势。智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制 更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。而且在现在这个注重绿色环 保的世界里，智能的为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心 入住。同时，智能家居控制器可以根据住户的要求调整方案，加强紧急处理，危机救护等 急救控制，充分达到只要是“用户想要的，就是我们追求的”宗旨。 2、国内外的发展状况 1984 年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对 一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、 照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。2000 年， 新加坡有近 30 个社区的约 5000 户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高 达 4 万户。2003 年，网络化家居的建设带来高达 4500 亿美元的市场价值，这其中有 3700 亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。 现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定 的“智能型家居”功能。于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比 尔盖茨耗资 6000 万美元的高端别墅便宜得多在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲 国家一直处于领先地位。 天津理工大学教务处制表 近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智 能家居的研发中。例如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门” 、IBM 公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。此外，日韩新等国 的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。 20 世纪 90 年代后期，我国的智能小区日益兴起。众所周知，我国的智能化住宅建设 最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。在 97 香港回归之际，在建 设部“97 跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首 家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。1999 年，建设部勘察设计司、 建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住 宅小区智能化进入了一个新阶段。随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了 家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创 新的重点专项计划。据建设部要求，截止今年，我国将有 70%以上的家庭拥有 Internet 入 网设备，大中城市中 50%的住宅要实现智能化。 二、课题的研究内容、技术指标、手段二、课题的研究内容、技术指标、手段 1、设计的主要内容包括： （1）从机对周围环境信息的采集和处理。 （2）从机发送自己采集的数据给相邻节点并将数据转发给协调节点或更靠近协调节 点的节点。 （3） 实现实时接收上位机的控制命令和下位机的传感器数据的发送与接收。 （4）将系统的各个模块连接起来，保证整个无线传感器网络系统运行顺利通畅。 （5）设计合理的流程，编写相应的程序。 2、主要技术指标及要求： （1）利用ZigBee进行组网。 （2）协调器与网关之间的连接方式及通信协议。 3、课题研究方法： 主要解决组网过程包括以下两个部分： （1）协调器建网 ZigBee 无线网络中有协调器（Coordinator）、终端节点（End-device）和路由器 （Router）这三种设备。协调器负责建立网络部分，当系统上电之后，协调器自动选择一 个信道，然后选择一个网络号，建立网络。路由器主要是在网络建立、网络配置方面起作 用，一旦网络成功建立了之后，协调器就与路由器的功能是一致的。而路由器主要有三个 功能：允许节点加入网络；进行数据的路由；辅助其孩子节点通信。终端节点只要加入已 建立的网络即可，终端节点是不具有 天津理工大学教务处制表 网络维护功能的。 （2）终端节点入网 节点上电之后首先应判断自己是否是孤点。若是孤点，则选择孤点方式加入网络，利 用孤点扫描方式建立与父节点之间的联系，此时网络层管理实体通过请求MAC层对物理层 所默认的所有信道进行扫描，若扫描到原先的父设备，则反馈消息给网络层，网络层管理 实体发送消息给上层节点请求加入网络。若一开始经判断之后发现不是孤点，则选择通过 MAC层关联方式加入网络。首先子节点发送信息请求加入网络，网络层收到该消息之后会 请求MAC层执行一个主动扫描接受了PAN标识符的信标帧。扫描完成之后MAC层会发送一个 消息给网络层管理实体，网络层管理实体再将该消息发送给上层，由上层选择一个网络加 入。子节点在选择好一个合适的父节点之后会发送一个连接请求，由网络层管理实体发送 消息给MAC层，尝试通过父节点加入网络。 三、研究步骤三、研究步骤 （1）熟悉课题、查阅资料、翻译资料。 （2）熟悉 ZigBee 协议栈的基本原理，开题报告。 （3）提出系统总体设计方案、熟悉所用软件。 （4）设计系统硬件。 （5）系统的综合调试。 （6）毕业实习。 （7）系统测试及结果分析。 （8）整理资料，撰写毕业设计说明书。 （9）完成毕业设计说明书终稿、准备答辩。 四、进度安排四、进度安排 2016.01.012016.03.06 整理资料、制定设计规划、了解 ZigBee 协议栈 2016.03.072016.03.14 完成基本理论的研究、开始软件设计、硬件系统的选型、 搭建，实现预期设计目标 2016.03.152016.04.08 完成软件设计、系统调试、设计过程、撰写论文 2016.04.092016.04.30 毕业实习 2016.05.032016.05.20 完善整理设计内容、校正修改论文、确定论文最终稿 2016.05.212016.05.31 完成毕业设计、装订论文、提交论文 2016.06.012016.06.10 准备毕业答辩 天津理工大学教务处制表 五、参考文献五、参考文献 1 王小强，欧阳骏，黄宁淋 .ZIGBEE 无线传感器网络设计与实现.北京：化学工业出版 社,2012 2 吕志安.ZIGBEE 网络原理与应用开发.北京：北京航空航天大学出版社，2008 3 李文仲,段朝玉.ZIGBEE 无线网络技术入门与实战.北京：北京航空航天大学出版社, 2007 4 谭浩强.C 语言程序设计M.北京：清华大学出版社，2006 5 孙利民.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005 6 美帕勒万.无线网络通信原理与应用M.刘剑译.北京：清华大学出版社，2002 7 赵阿群，陈少红，赵直.计算机网络基础M.北京：北京交通大学出版社，2003 8 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1991 9 郑相全.无线自组网技术实用教程M.北京：清华大学出版社，2004 指导 教师 意见 签字： 年 月 日 天津理工大学教务处制表 基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统 摘 要 我们的社会在进步，现代人对生活也有了更高的要求,特别是我们每天生 活的家居空气质量。我们每天大部分的时间都生活在室内环境中，但是由于大 部分装修材料、室内装饰品、室内设施等多由有机物合成，可挥发性有机物气 体扩散恶化了室内空气品质，此外，世界范围内的节能性要求以及建筑材料的 密闭性的提高，从而减少了室内外空气的流通，使得室内空气质量对人们生活、 健康的影响明显高于室外的空气质量。基于这个问题我们把 ZigBee 无线通信 技术和传感器检测技术相结合成为无线传感器网络，设计了一套基于 ZigBee 的家居空气质量多点实时监测系统。系统主要采用主-从多式结构，从机节点 和控制主机组成 ZigBee 无线传感器网络，实现各节点之间的数据通信，以 CC2530 微处理器芯片为核心搭建的无线传感器网络。系统从机传感器节点采集 温湿度数据、空气环境数据实时发送到主机网关节点并汇总，主控机结合监测 数据判定出家居空气总体质量状态并显示，从而采取措施改善空气质量，实现 状态监测报警。 关键词： 智能家居 ZigBee CC2530 空气质量检测 The air quality Home Furnishing multipoint real-time monitoring and evaluation system by Using ZigBee ABSTRACT Our social is progressing, peoples quality of life is improving, and the indoor environment air quality also have higher requirements. We live in an indoor environment for most of the day, But because most of the decoration materials, interior decoration, indoor facilities more synthesized by organic compounds, volatile organic gas diffusion deteriorate indoor air quality. In addition, worldwide energy- saving requirements and building materials of improvement of airtight, thereby reducing the indoor and outdoor air circulation, make indoor air quality impact on peoples lives and health was significantly higher than that of outdoor air quality. Based on this problem we put the ZigBee wireless communication technology and sensor technology combined with a wireless sensor network, the design of a ZigBee based air quality Home Furnishing multipoint real-time monitoring system. System is mainly used principal from multimodal structure. From the control node and machine composed of ZigBee wireless sensor network, realizes the data communication between the nodes, to the microprocessor chip CC2530 as the core to build the wireless sensor network. System from the machine sensor nodes to collect data on temperature and humidity, air environmental data real-time transmission to the host, gateway nodes and summary, the main control machine combined with monitoring data determines the overall quality of state household air and display, and take measures to improve air quality, achieve state monitoring and alarm. Key Words: SmartHome ZigBee CC2530 Air quality detection 目 录 第一章 绪论1 1.1 研究目的与意义1 1.2 现如今主要的空气环境检测方法1 1.3 国内外现状及发展2 1.4 论文主要研究的内容及结构3 第二章 ZIGBEE 技术概述4 2.1 ZIGBEE技术的特点4 2.2 ZIGBEE协议栈构架5 2.1.1 物理层 7 2.1.2 MAC 层7 2.1.3 网络层8 2.1.4 应用层8 2.3 ZIGBEE的分类及功能作用8 2.4 ZIGBEE的网络拓扑结构9 2.4.1 星形结构9 2.4.2 树形结构9 2.4.3 网状结构10 2.5 ZIGBEE的通信方式11 2.5.1 广播通讯13 2.5.2 组播通讯13 2.5.3 点播通讯14 第三章 空气质量检测系统设计15 3.1 智能家居系统方案设计15 3.2 ZIGBEE 系统硬件设计16 3.2.1 检测终端从机硬件设计16 3.2.2 主控机监测系统硬件设计21 3.3 ZIGBEE 系统软件设计24 3.3.1 检测终端从机系统软件设计24 3.3.2 主控机监测系统软件设计25 3.3.3 Z-STACK 软件26 第四章 系统实物图及实验测试结果28 第五章 总结31 参考文献32 附录33 致 谢37 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 - 1 - - 1 - 第一章 绪论 1.1研究目的与意义 我们的社会在进步，现代人对生活也有了更高的要求,特别是我们每天生活的家居空气 质量。我们每天大部分的时间都生活在室内环境中，但是由于大部分装修材料、室内装饰品、 室内设施等多由有机物合成，可挥发性有机物气体扩散恶化了室内空气品质，此外，世界范 围内的节能性要求以及建筑材料的密闭性的提高，从而减少了室内外空气的流通，使得室内 空气质量对人们生活、健康的影响明显高于室外的空气质量1。 一般情况下，大多数的智能家居设备之间的组网方式采用有线组网方式，但是在实际应 用过程中，由于布线范围的限制以及随着智能家居设备的增多，整个系统显得非常繁杂，并 不便于整理，而且采用有线组网的方式使得布线成本也会增加。更重要的是，增加智能家居 设备节点的时候，需要改变智能家居中的设备节点的位置，有线组网的方式也就暴露出了其 问题。这就需要通过无线传感器网络来解决上述问题。由于各个智能家居设备之间的通信方 式均采用无线的方式，因此特别适用于家庭范围内的安全防范、学习、工作甚至是远程操控。 无线传感器技术的发展跟随着时代的发展越来越贴近人们的生活，因此，设计一套价格相对 低廉、实用、可扩展性高的无线传感器网络已经成为国内推动无线传感器网络技术发展的必 由之路。 1.2现如今主要的空气环境检测方法 对于空气中的成分，其中二氧化碳的含量占 0.03%，其他的气体多为氮气、氧气以及各 种灰尘。二氧化碳的含量虽然在空气中很少，但是其作为呼吸中枢兴奋剂是人类生理因素所 需求的。同时，如果二氧化碳的浓度超过一定范围后，也会对人体造成很大的伤害。比如： 当家居环境内人口密度过大、再加上室内的通风效果不好的情况下，人们所呼出的二氧化碳 量超过了家居环境内的新风量，就会导致室内二氧化碳浓度过高。过高浓度的二氧化碳的环 境会给我们的身体造成亚健康状态。因此，家居空气质量的问题应该值得关注。 对于家居环境来说，经常开窗通风显得尤为必要，但是，人们不能准确的感知自身所处 的环境空气质量的好坏，对空气质量标准更是没有一个明确的界定，这就需要通过相关仪器 设施对家居空气质量进行监测。对于空气环境监测的方法，目前国内的空气环境检测方法主 要有种：一种是人工采样实验室分析法，这种方法设备要求低、操作相对简单，但是整个 检测过程耗时较长，不能满足对空气环境进行实时监测的要求；另一种是在线检测法，虽然 这种方法具有检测准确、分辨率高以及灵敏度高的优点，但是目前此方法主要依赖于外国进 口设备，依然无法为全面准确检测大气环境提供一个有力的保障2。因此，针对目前市场上 室内空气监测的产品使用不方便和价格较昂贵的现状，我通过对室内空气质量监测的要求和 空气质量实施方式的综合分析，结合具体情况设计了一种基于 ZigBee 的家居空气质量实时 监测系统，整个系统操作较简单，而且有很好的实时性。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 - 2 - - 2 - 1.3国内外现状及发展 智能家居正在以高速的发展速度进入我们的视线内，如今已不再是科技展览馆之内的展 览品，而是我们身边触手可及的东西。让我们在工作学习之余，可以享受到科技发展带给我 们的安全舒适的家庭环境。 目前只能家居在国内的发展情况并不容乐观，不管是智能家居的普及率还是市场推广都 远远不及发达国家，加入远程控制的智能家居产品更是少之又少。正是由于发展情况尚且不 容乐观，我国智能家居只是一些规模相对较小的公司团体在发展探索，虽然这些规模相对较 小的公司可以生产研发一些智能家居的产品，但是不管是在资金方面还是政府政策方面等多 种因素的存在，并不能够完成智能化的家居产品开发。某些电器产品，如空调、洗衣机和电 热水器等，如果可以加入远程控制这一大众需求的产品特点，可以满足一些定时功能所满足 不了的紧急突发情况。 但是，总体的发展情况还是很值得期待的。随着越来越多的人开始关注智能家居这一概 念，一些规模相对较大的公司也开始涉足于这个领域。例如海尔的智慧生活。此外，目前国 内汽车行业发展迅猛，中国汽车占有率也逐年上升，汽车内的“智能家居”反而有很大突破， 很多新车型都加入了远程遥控系统以及车内的空气质量监测系统，并且投入市场之后初见成 效。可见智能家居在国内还是有很大发展前景。而且国内智能手机已经普遍，依托于各大运 营商的 4G 高速网络，便携式网络设备远程控制应用前景必然是一个大趋势。部分地区的房 地产开发商通过引入智能家居的概念，退出了一些精品住房，而且在营销上取得了不错的收 益，尤其是在别墅群和一些规模相对较大的高端写字楼。此外，城市高速网络化建设的效果， 物联网和云的概念也被人们所熟知，在依托经济发展之下，更方便、更舒适的生活模式必定 会得到越来越多用户的肯定，无线传感器网络技术在智能家居方面的未来也必定会有更大的 发展。 对于国外的发展情况，美国是世界上最先涉足于智能家居领域的国家，并且美国早在上 世纪九十年代首次设计出了全世界第一栋智能楼宇建筑,从而开启了智能家居在楼宇建筑领 域的先河。随后，发达国家的科技人员也都纷纷提出了对于智能家居的设计理念,德国、新 加坡等国家在智能家居领域上的发展较快,社会上的应用普及程度也相对较高。但是国外智 能家居产品不管是在产品费用上还是在安装费用上都比较高,仅仅适用于国外别墅式的高档 家庭,对于一般家庭而言并不适合。尽管美国的智能家居系统在全世界范围内的研究最早,但 是对于普及程度以及社会的应用情况来看，最高的还是韩国。韩国取得这些成就的原因与韩 国先进的电子科学技术发展是分不开的。同时，韩国政府也出台相关政策对智能小区和智能 家居系统上给予一定的政策扶持。目前，世界上相对发展情况较好的智能家居产品如 Vantange 智能家居系统、Stargete 智能系统等等。此外，一些大型计算机通信行业也都开 始涉足智能家居系统。相信在不久的将来，智能家居必定会有更大的发展。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 - 3 - - 3 - 1.4论文主要研究的内容及结构 本文研究和设计的空气质量监测系统是基于 CC2530 微处理器的硬件开发平台，把无线 传感器网络技术、信息技术、传感器技术相结合为一体，通过 ZigBee 无线传输协议进行数 据传输，把 ZigBee 无线通信技术和传感器检测技术相结合成为无线传感器网络。系统终端 节点对周围环境信息进行采集、处理，然后把采集的数据发送给协调器或者更靠近协调器。 系统主机可以显示接收到的数据信息，同时也可以接受上位机的控制命令，依据各个从机节 点的地址信息进行实时转发，从而保证整个无线网络系统运行顺利通畅。 论文分为 5 章内容介绍： 第 1 章介绍了本系统设计的目的与意义，接着对现如今两种主要的空气环境检测方法进 行了介绍，以及当前国内外对于无线传感器网络的发展现状。然后点明论文的研究内容和研 究方向以及论文的主要创新点； 第 2 章介绍了系统通信 ZigBee 技术和 Z-Stack 协议栈，结合已有的 ZigBee 技术，根据 实际情况对无线传感器网络做了更进一步的研究； 第 3 章介绍了无线传感器网络总体的设计方案，分为系统主机和检测终端从机两个部分 进行说明，然后对系统设计原则进行了介绍和对节点所使用传感器以及各个模块电路图、实 物图做出了介绍并附有系统实物图和源程序。 第 4 章给出了设计系统的实物图以及系统的实验测试的结果，通过实际的测试来对理论 有一个更加清晰的认识； 第 5 章则是对全篇论文的一个心得感受，在文章最后对全文的一个总结。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 - 4 - - 4 - 第二章 ZigBee 技术概述 2.1 ZigBee 技术的特点 ZigBee 是一种短距离、低功耗、传输速率相对较低、设计与运营成本较低、自组织的 无线网络技术。ZigBee 通信技术的技术优势在个人局域网和自动控制领域以及远程控制领 域应用场合较多。此外，可以通过 ZigBee 通信技术结合各种传感器模块成为无线传感器网 络。ZigBee 通信技术是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议开发的。IEEE802.15.4 描述了两个底层协议，分别是物理层（PHY）和媒体接入控制协议（MAC），他们都属于 IEEE.802.15.4 工作组。ZigBee 联盟则在 IEEE802.15.4 的基础上定义了网络层（NWK）和应 用层（APL）。ZigBee 的应用范围主要有工业控制、家庭自动化（即智能家居）、医疗领域、 电力设备节能灯诸多领域。下表给出集中无线通信协议的比较： 表 2.1 几种无线通信协议的比较5 Table 2.1 Comparison of several wireless communication protocols 5 通讯类型 ZigBee 蓝牙 Wi-Fi 移动通讯 覆盖范围 0-100m100m50m 几千米 网络扩展性扩展性强没有没有没有 电池寿命几年几天几小时几天 难易性容易困难很困难困难 传输速率 250kbs3Mbps0-11Mbps38.4bps 通讯频段 868Mhz-2.4Ghz2.4Ghz2.4Ghz0.8-1Ghz 网络节点 65000850 无 联网耗时30 毫秒10 秒3 秒3 秒 设备费用低低高很高 通讯费用没有没有没有有 使用成本低低一般高 使用难易简单一般难难 可靠性高高一般一般 通过上表可以得出结论，ZigBee 通信技术的优势如下： 1、低功耗：ZigBee 通信技术在低耗电待机模式下，通过合适的路由算法程序可以实现 超长的可持续性。实验表明：2 节 5 号干电池的电量可以支持一个节点工作 6-24 个月，甚 至更长的时间。这是 ZigBee 的突出技术优势。其他几种通信技术则耗电量相对较大，蓝牙 通信能工作几周、Wi-Fi 仅仅可工作几小时。 2、低成本。ZigBee 通信技术通过大幅度地简化协议（简化后不到蓝牙通讯协议的 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 - 5 - - 5 - 1/10）,从而降低了对通信控制器的要求。比如：以 8051 单片机测算，只需要 32KB 就可以 满足全部功能的主节点，而只需要 4KB 代码就可以满足子功能，可见其低成本。并且， ZigBee 不需要协议专利费。每块芯片大约人民币 15-20 元。 3、低速率。ZigBee 工作在 20250 kbps 的较低速率，分别提供 250 kbps（2.4GHz）、 40kbps （915 MHz）和 20kbps（868 MHz） 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应 用需求6。 4、近距离。ZigBee 通信技术的传输范围在 10-100 米之间，但是，增加了 RF 发射功 率之后，就可以增加到 1-3 km。这指的是相邻节点间的距离。除此之外，可以先通过路由 器和节点之间通信，进而可以延长传输距离。 5、短时延。ZigBee 通信技术的响应速度较快，从睡眠模式转到工作模式的过程一般情 况下只需要 15 ms 。而且，终端节点连接协调器进入网络的过程只需 30 ms ,从而可以进一 步通过缩短时间节省电能。相比较而言，蓝牙完成这些过程需要 3-10 s、Wi-Fi 完成这些过 程则需要 3 s。 6、高容量。ZigBee 通信技术各个节点之间的联系可采用星型、树型或者网络结构。其 管理方式是由一个主节点管理若干子节点，最多情况下一个主节点可以管理 254 个子节点。 同时主节点还可由上一层网络节点管理，理论情况下最多可组成 65000 个节点的大型网络 结构。 7、高安全。ZigBee 通信技术提供了三级安全模式，以灵活确定其安全属性 7 。 8、免执照频段。ZigBee 通信技术工作在 2. 4 GHz 的全球性免费频段。 2.2 ZigBee 协议栈构架 ZigBee 协议最开始于 2004 年首先发布了其 1.0 版本规范，经过两年的发展于 2006 年 11 月又退出了 1.1 版本。世界上有很多创始者企业支持 ZigBee 协议，如 Chipcon、Honeywell、微软等多个大型企业。其中不仅有无线 IP 供应商、设置制造商以及 相关的产品方案解决都已完善。并且 2005