毕业设计（论文）-基于ZIGBEE无线传输协议的微型烟雾报警系统.doc

基于ZIGBEE无线传输协议的微型烟雾报警系统专业：电子信息工程 摘要：如今，移动互联已经进入了我们生活的方方面面，信息与数据无处不在，嵌入式系统改变着人们的生活方式。本文旨在利用Zigbee无线通信协议，配合CC2530模块，希望能完成一套智能监控烟雾报警系统，实现在安卓智能手机上完成对实时温度信号的监控。通过广泛查阅研究传感器技术、无线通信技术方面的文献资料之后，本文采用目前较之其他方案更加低功耗、低成本、组网灵活的ZigBee无线通信技术组建监控网络，使用多种传感器检测信号，通过wifi无线局域网实现远程通信，将数据上传到安卓智能手机客户端上。该微型监控系统，实现了监控网络组建、数据采集与传输、远程信息交互。主要的研究内容如下：1、讨论实现家庭烟雾监控报警系统的意义，国内国外各个国家，在这个领域的发展现状，未来的趋势。比较组网过程可以使用的各种组网技术，详细分析本方案所使用的Zigbee技术的优点。2、提供基于WIFI无线局域与Zigbee的家庭无线监控系统的总体设计框图，传感器负责收集相关数据，经由zigbee模块传输数据到本地服务器，再由服务器通过wifi传输到安卓手机客户端上显示。通过相应的软件编程实现数据从硬件端到客户端的传输。3、对整个系统进行了软硬件的联合调试，调试结果说明系统实现了预期的功能。并对论文大致脉络进行一个系统化的梳理，并且对不足之处加以总结。关键词： zigbee 无线通信 传感器 烟雾报警 Micro smoke alarm system based on Zigbee wireless transmission protocol Major: Electronic Information Engineering Abstract: With the development of mobile Internet, we live in an era full of the information and data.The Zigbee wireless communication protocol is used to complete a set of intelligent monitoring of smoke alarm system, cooperating CC2530 modules, implemented on android smartphone for real-time monitoring of temperature signal in this paper. Through broadaccess to the sensor technology, wireless communication technology of the literature, this design with Zigbee is more power-saving, lower cost, more flexible, monitoring a variety of sensors through wifi wireless local area network to realize remote communication, uploading data to android smartphone on the client side.It is mainly discussed as fellows: 1. the meaning of family smoke monitoring alarm system.Research in the field of the present situation and the development situation at home and abroad. a detailed analysis on advantages and disadvantages of Zigbee. 2. Zigbee home wireless monitoring system is based on WIFI while various sensors is responsible for collecting relevant data, through the Zigbee module to transmit data to a local server, and then by the server via WIFI transfer to shown on the android client in order to implement the data from the hardware to the client. 3.Joint debugging on both software and hardware. The results of debugging show that the system has realized the anticipated function. At the end of the paper ,it summarizes what can we do to get a further perfection.Key words： Zigbee Wireless Communication Sensor Smoke Warning目 录1引言61.1选题意义61.2 国内外相关研究现状与趋势61.3 本文的主要内容72.整体设计方案概述82.1 系统总体的设计思路与方案82.2 无线通信技术的对比82.2.1 蓝牙(Bluetooth)技术92.2.2 Wi-Fi(无线高保真)技术92.2.3 IrDA(红外线数据协会)技术92.2.4 ZigBee(紫蜂)技术92.2.5 UWB(超宽带)技术92.2.6 NFC(近距离无线传输)技术103.系统硬件平台113.1 CC2530芯片介绍113.2开发板原理123.3 传感器143.3.1 MQ-2气体传感器143.3.2 DS18B20 数字温度计154.系统软件开发平台164.1 IAR Embedded workbench164.2 smartRF flash programmer164.3 程序代码174.3.1 Z-Stack协议发送函数AF_DataRequest174.3.2 上位机程序195.系统运行测试与调试反馈246.总结27参考文献28致谢29外文资料中文译文30外文资料原文381引言1.1选题意义随着社会的进步，信息科技的不断发展，人们已经从2000年初的互联网PC时代，进入到移动互联网时代。无线通信技术与传感器技术以及嵌入式技术飞速发展，各种应用层出不穷，为人们生活工作带来了方便。对家居环境的要求也变得越来越高，在家庭中使用各种电子产品以及天然气的过程中会引发产生火灾的安全隐患，所以需要一个家庭检测系统。能够及时发现险情并告知户主，以便于将安全意外事故发生的可能性降低，带来的人身伤害与经济损失降到最低。本文中的Zigbee无线烟雾监控系统应用了多种技术：无线通信技术，传感器技术，计算机技术，嵌入式技术。将他们有机结合，组成一个具有家庭监控、报警的综合应用系统。传统的家庭监控系统一般都采用有线布线的方式来进行连接，然而这种方式带来的缺点显而易见：安装复杂、维护性差、成本较高、可靠性不够高等。本文使用的zigbee技术组建局部区域网络，能够在较低的成本下完成易组装与高可靠性的家庭烟雾监控系统，同时通过家庭wifi构建的无线局域网，把数据上传到PC，和手机上，使得信息的监控更加的便捷与方便。1.2 国内外相关研究现状与趋势无线烟雾监控属于智能家居的范畴，是一个融合了自动化控制、计算机网络、有线或者无线的通信技术于一体的智能化网络系统。智能家居最早出现于上世纪80年美国联合技术公司承建的“城市广场”，“城市广场”是1984年美国联合技术公司对位于康涅狄格州哈特福德市的一座金融大厦进行了一定智能化改造之后的结果，被认为是世界上最早的智能大厦。该大厦装备了一整套自动化系统，用于设备管理，信息通信，水电控制，以及自动办公。这些功能成为了后来智能建筑领域标志性的功能搭配。伴随着这一方案的成功实践，各个国家地区的服务提供商陆续推出了自己的解决方案。 2014年国内智能家居市场发展报告新加坡的解决方案能够实现三表的自动抄送，防火防盗等报警功能，家用电器的控制功能，可视化的对讲功能等。美国的ATT公司凭借其在网络基础设施上的优势，利用Agere Systems Commpy 的trueone解决方案，可以为用户提供将监控信息发送到远端个人计算机或者手机上的服务。相较于发达国家，我国的智能家居技术起步较晚，并且加之人口多、区域经济发展差异性等因素，使得智能家居发展受阻。近几年国家宏观调控的经济政策的出台，对物联网及无线通信领域的创新扶持，以及移动互联网浪潮的来袭，使得智能家居重新走进人们的视线。在中国的北上广深地区，智能家居已经生根落地，进入了很多的家庭。家庭监控作为智能家居的一个重要分支，主要呈现出如下几个趋势：一、信息传输方式从以前的有线方式转为更为高效便捷的无线传输方式；二、监控功能从单一化向多功能融合进行演进；三、本地监控向远程监控进行发展，智能手机成为了热门的监控端。1.3 本文的主要内容在第一章与第二章讨论实现家庭烟雾监控报警系统的意义。国内外该领域的研究现状与发展情况。比较组网过程可以使用的各种组网技术，详细分析本方案所使用的Zigbee技术的优点。在第三章第四章提供基于WIFI无线局域网与Zigbee的家庭无线监控系统的总体设计框图，传感器负责收集相关数据，经由zigbee模块传输数据到本地pc，再由pc通过wifi传输到安卓手机客户端上显示。通过相应的软件编程实现数据从硬件端到客户端的传输。在第五章对整个系统进行了软硬件的联合调试，测试性能直至达到所需的功能标准。并对论文进行总结梳理，指出可以进一步深入的地方。2. 整体设计方案概述2.1 系统总体的设计思路与方案2.1.1 系统需要实现的功能概述1) 室内的可燃气体（瓦斯）泄露检测。家庭中，如若使用天然气没有及时关闭，那么容易造成瓦斯泄露，对人体呼吸产生影响，危害住户的健康。严重时，甚至产生家庭火灾。一旦能及时发现，便能大大降低损失。2) 室内温度检测。实时获取室内温度，可以帮助户主及时的调整室内温度以达到最舒适的温度值，提升居住体验。同时也作为烟雾报警的辅助检测参数存在。3) 室内光强检测。判断室内是否光照通畅，同时可以判断使用场景是白天还是黑夜。4） PC上位机客户端收集ZIGBEE协调器传输过来的数据。5） 建立一个wifi无线局域网，使得手机和PC处于同一局域网中。通过PC上位机和手机建立通信，将数据传输到手机app上。2.1.2 系统总体设计方案温度传感器ZIGBEE模块2光敏传感器烟雾传感器Zigbee模块1PC上位机手机客户端图2.1 系统设计方案流程图2.2 无线通信技术的对比目前使用较广泛的近距无线通信技术有蓝牙(Bluetooth),无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外线数据传输(IrDA).此外，还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，分别是ZigBee,超宽频,短距通信,WiMedia,GPS,DECT,无线1394和专用无线系统等。2.2.1 蓝牙(Bluetooth)技术蓝牙作为短距离通信的一种。可用于无线数据与语音的通信，成本低，通信距离短。优势：安全性高。蓝牙设备在通信时，工作的频率是不停地同步变化的，也就是跳频通信。双方的信息很难被抓获，防止被破解或恶意插入欺骗信息。易用性。蓝牙技术是一项即时技术，不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。不足：通信速度不高。只能用于轻量级应用，对传输速度不敏感的应用场景。传输距离短。一般不超过10米。2.2.2 Wi-Fi(无线高保真)技术既无线宽带。通信协议全名为IEEE 802.11b。优势：覆盖范围广。其无线电波的覆盖范围广，穿透力强。可以方便地为整栋大楼提供无线的宽带互联网的接入。速度快。传输数据与语音的最高速度可达300Mb/s，可用于用户接入互联网后完成浏览视频、下载大文件等。不足：安全性相较于蓝牙技术不足，没有使用调频技术，虽然使用了加密协议，但仍然暴露在被恶意破解的风险之中。2.2.3 IrDA(红外线数据协会)技术IrDA使用红外线进行数据的传输，是一种点对点的传输技术。优势：成本低廉，不需要申请频率的使用权。功耗低，方便易用。安全性较高。不足：IrDA是一种视距传输，通信终端之间必须保持一定的距离且不能被其他物体隔断，作为一种点对点传输技术只能连接2台设备。2.2.4 ZigBee(紫蜂)技术ZigBee使用 2.4 GHz 波段，采用跳频技术。优势：低能耗。因为协议简单，使用成本也随之降低。网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备。 不足：数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s，专注于低传输应用。有效范围小。有效覆盖范围为1075m之间。2.2.5 UWB(超宽带)技术UWB（Ultra Wideband）利用非正弦波窄脉冲传输数据，频谱范围宽。UWB最高支持110MB/s的数据传输速率，在传输过程中数据不需要进行数据压缩。特点：信道衰落对数据传输影响小，载货能力低。精度高，速度快 。穿透性高，成本低。2.2.6 NFC(近距离无线传输)技术又称近场通信技术，采用了双向的识别和连接的NFC现已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi 设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。特点：简化了交互过程，过滤了电子噪声，成为更安全便捷的通信方式。NFC还可以为WIFI、蓝牙等通信协议进行“加速”，从而使得传输速率和距离得到提高。 2.2.7 几项无线通信技术的横向对比表2.2上述几种无线通信协议参数表参数指标名称传输速度通信距离频段安全性功耗主要应用Bluetooth1Mbps20-200m2.4GHz高20mA通信、汽车、ITWi-Fi11-54Mbps20-200m2.4GHz低10-50mA无线上网、PC、PDAZigBee100Kbps20-200m2.4GHz中5mA无线传感器网络、医疗仪器数据采集、远程控制UWB53-480Mbps0.2-40m3.1GHz-10.6GHz高10-50mA消防、救援、医疗NFC424Kbps20m13.6GHz极高10mA手机、近场通信技术由表2.2我们可以看到，ZIGBEE拥有的低功耗，较好可靠性，以及足够的传输速率，使得其能够满足家庭无线传输传感器数据的需求。3. 系统硬件平台3.1 CC2530芯片介绍CC2530芯片具有如下特性：核心同时具备高性能和低功耗的特性；符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHZ的RF无线电收发机；灵敏度高，抗干扰性强；支件支持CSMA/CA功能；较宽的电压范围（2.0-3.6v）；数字化RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；能够检测电池状态与温度；集成了14位的模 /数转换的adc集成AES安全协处理器；一整套强大和灵活的开发工具。 如图3.1可见，CC2530的功能模块分布情况。 图3.1 CC2530片上系统的功能模块3.2开发板原理Zigbee开发板有两部分，如下：(1) 射频板原理射频板主要包含了CC2530芯片，射频天线，和与应用板的接口。原理图如图3.2。(2) 应用板原理应用板包含了许多模块，有led显示电路，JTAG 调试电路，键盘电路等。led显示电路如图3.3，led显示电路包含了4个发光二极管。用于板级应用。JTAG调试电路，如图3.4。键盘电路，4个按键，可针对其开发不同的应用。如图3.5。图3.2 CC2530射频板部分原理图3.3 LED显示电路原理图3.4 JTAG调试电路图3.5 键盘电路3.3 传感器3.3.1 MQ-2气体传感器该传感器具有广泛的测试范围，优秀的灵敏度，稳定，寿命长，具有简单的驱动电路。家庭和工厂的气体检测常使用该传感器，可检测液化气、丁烷、丙烷等气体。如图3.6是该传感器的电路基本原理。图3.7则为该传感器实物图。图3.6 烟雾传感器原理图图3.7 烟雾传感器实物图3.3.2 DS18B20 数字温度计DS18B20 数字温度计是一种单总线器件，具有体积小，线路简单的优点。DS18B20单端口即可实现通信。测量温度范围在 55到 125之间。 图3.7是该数字温度计的简要示意图。图3.7 数字温度计示意图4. 系统软件开发平台4.1 IAR Embedded workbenchIAR Embedded workbench 作为一套完整的开发工具，可用于嵌入式开发的调试与代码生成。该开发工具内置了针对不同芯片的代码优化器，Iar embeddedworkbench可以为MSP430芯片生成高效可靠的代码。如图4.1是该工具的初始化界面。图4.1 Iar 开发环境初始界面4.2 smartRF flash programmerSmartRF由德州仪器TI公司开发，可以对基于ARM的无线MCU中的FLASH模块进行编程与烧写。在IAR编写好的程序可以向外输出成HEX文件，利用flash programmer可以直接烧写进flash中，更加方便。如图4.2为该工具的初始化界面。图4.1 flash programmer初始化界面4.3 程序代码4.3.1 Z-Stack协议发送函数AF_DataRequesttypedef structbyte endPoint; /端点号byte *task_id; / Pointer to location of the Application task ID.SimpleDescriptionFormat_t *simpleDesc; /设备的简单描述afNetworkLatencyReq_t latencyReq; /枚举结构 必须用 noLatencyReqs 填充 endPointDesc_t;目标设备的简单描述结构AF.htypedef structbyte EndPoint; /EP ID (EP=End Point)uint16 AppProfId; / profile ID（剖面ID）uint16 AppDeviceId; / Device IDbyte AppDevVer:4; /Device Version 0x00 为 Version 1.0byte Reserved:4; / AF_V1_SUPPORT uses for AppFlags:4.byte AppNumInClusters; /终端支持的输入簇的个数cId_t *pAppInClusterList;/指向输入Cluster ID列表的指针byte AppNumOutClusters;/输出簇的个数cId_t *pAppOutClusterList; /指向输出Cluseter ID列表的指针 SimpleDescriptionFormat_t;AF.htypedef enumnoLatencyReqs,fastBeacons,slowBeacons afNetworkLatencyReq_t;第三个参数：uint16 cID 簇ID第四个参数：len 要发送的数据的长度第五个参数：uint8 *buf 指向发送数据缓冲的指针第六个参数：uint8 *transID事务序列号指针。如果消息缓存发送，这个函数将增加这个数字第七个参数：发送选项，可以由下面一项，或几项相或得到AF_ACK_REQUEST 0x10 要求APS应答，这是应用层的应答，只在直接发送（单播）时使用。 AF_DISCV_ROUTE 0x20 总要包含这个选项 AF_SKIP_ROUTING 0x80 设置这个选项将导致设备跳过路由而直接发送消息。终点设备将不向其父亲发送消息。返回值：该函数的返回值：afStatus_t类型枚举型的，成功或4.3.2 上位机程序关键代码：void CWsnPcMonitorDlg:ReceiveDataAnalysis()/ static int step = 0x00;int i=0;unsigned char Id;unsigned char temh,teml;/数据高低字节if (CheckReceiveData()Id = dataReceive2;teml=dataReceive3;temh=dataReceive4;switch(dataReceive1)case 0x80: /握手检测MessageBox(握手成功！);break;case 0x81: /读取温度/MessageBox(读取成功！);unsigned char flag;char pChBuf8;unsigned int num;if(temh&0x80)/判断正负flag = 1;elseflag = 0;num=teml*625; /小数部分的取值每位代表0.0625（精度）if(flag=1) /判断正负温度pChBuf0=-; /+0x2d 为变-ASCII码else pChBuf0=+; if(temh/100=0)pChBuf1= ;elsepChBuf1=temh/100+0x30; /+0x30 为变 09 ASCII码if(temh/10%10=0)&(temh/100=0)pChBuf2= ;elsepChBuf2=temh/10%10+0x30;pChBuf3=temh%10+0x30;pChBuf4=.;pChBuf5=num/1000+0x30;/忽略小数点后1位的数pChBuf6=0;/显示温度数值if (Id = 1)m_temp1 = pChBuf;else if (Id = 2)m_temp2 = pChBuf;else if (Id = 3)m_temp3 = pChBuf;else if (Id = 4)m_temp4 = pChBuf;UpdateData(FALSE);tempValueBufId-1 = temh+num/10000;break;case 0x82: /读取气体/显示气体数值if (Id = 1)m_Gas1 = teml;else if (Id = 2)m_Gas2 = teml;else if (Id = 3)m_Gas3 = teml;else if (Id = 4)m_Gas4 = teml;UpdateData(FALSE);break;case 0x83: /读取光强/显示光强数值if (Id = 1)m_Light1Level = 220-teml;else if (Id = 2)m_Light2Level = 220-teml;else if (Id = 3)m_Light3Level = 220-teml;else if (Id = 4)m_Light4Level = 220-teml;UpdateData(FALSE);break;/显示温度计m_tempDisp1.SetPosition(tempValueBuf0);m_tempDisp2.SetPosition(tempValueBuf1);m_tempDisp3.SetPosition(tempValueBuf2);m_tempDisp4.SetPosition(tempValueBuf3);/显示温度曲线if (m_SelectPlotIndex = 0)m_plotx.GetChannel(0).AddYElapsedSeconds(tempValueBuf0);m_plotx.GetChannel(1).AddYElapsedSeconds(tempValueBuf1);m_plotx.GetChannel(2).AddYElapsedSeconds(tempValueBuf2);m_plotx.GetChannel(3).AddYElapsedSeconds(tempValueBuf3); else if (m_SelectPlotIndex = 1)m_plotx.GetChannel(0).AddYElapsedSeconds(m_Light1Level);m_plotx.GetChannel(1).AddYElapsedSeconds(m_Light2Level);m_plotx.GetChannel(2).AddYElapsedSeconds(m_Light3Level);m_plotx.GetChannel(3).AddYElapsedSeconds(m_Light4Level);else if (m_SelectPlotIndex = 2)m_plotx.GetChannel(0).AddYElapsedSeconds(m_Gas1);m_plotx.GetChannel(1).AddYElapsedSeconds(m_Gas2);m_plotx.GetChannel(2).AddYElapsedSeconds(m_Gas3);m_plotx.GetChannel(3).AddYElapsedSeconds(m_Gas4);break; else /rcv is error5. 系统运行测试与调试反馈分别开启终端和接收端的电源，开发板上的LED3会亮起。 再进行如下图的操作。图5.1表示了上位机的初始化界面。根据图5.2的方式我们能顺利让其工作图5.1 上位机初始化界面图5.2 上位机软件使用步骤第一步设置接入的com口，这里为com1.第二步，点击打开“按钮”，打开端口。第三步，点击“自动刷新”，使其保持刷新频率。然后按上图中的步骤迚行操作。各传感器数据如上图5.3显示，温度数据在用手碰18b20的时候会上升，如图5.4。光强数据在用手捂住光敏的时候会变化，如图5.5，气体数据在用打火机的气熏烟雾传感器的时候会上升，如图5.6。图5.3 初始温度曲线图5.4 探测到人体手掌温度后曲线图5.5 气体含量变化图5.6 光强变化6. 总结 本文着重讨论了实现家庭烟雾监控报警系统的意义，国内国外在这个领域的发展现状和未来的趋势。通过比较各种组网技术，详细分析本方案所使用的Zigbee技术的优点。提供基于WIFI无线局域与Zigbee的家庭无线监控系统的总体设计框图，传感器负责收集相关数据，经由zigbee模块传输数据到本地服务器，再由服务器通过wifi传输到安卓手机客户端上显示。通过相应的软件编程实现数据从硬件端到客户端的传输。对整个系统进行了软硬件的联合调试，调试结果说明系统实现了预期的功能。参考文献1 网页2014年国内智能家居市场发展报告/a/20141231/005577.htm2 高守玮，吴灿阳. zigbee技术实践教程M. 北京航空航天大学出版社，2009：1-4193 李文仲，段朝玉. zigbee2007/PRO协议栈实验与实践M. 北京航空航天大学出版社，2009：1-3104 李文仲，段朝玉. zigbee网络技术与入门实战M. 北京航空航天大学出版社， 2007:1-3505 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