基于ZigBee的智能家居温湿度监测系统设计_邬春明.pdf

第 32 卷第 4 期东北电力大学学报Vol 32 No 4 2012 年 8 月 Journal Of Northeast Dianli UniversityAug 2012 收稿日期 2011 11 14 作者简介 邬春明 1966 男 吉林省吉林市人 东北电力大学信息工程学院副教授 主要研究方向 通信工程专业的教学与科研 工作 文章编号 1005 2992 2012 04 0014 04 基于 ZigBee 的智能家居温湿度监测系统设计 邬春明 杨文月 程亮 东北电力大学 信息工程学院 吉林 吉林 132012 摘要 温湿度监测系统作为家居安防系统的子系统 对家庭内火灾的发生起到预警作用 在设 计的无线温湿度检测系统中 终端节点由 CC2430 芯片和数字温湿度传感器 SHT10 构成 通过 ZigBee 实 现无线通信 数据经协调节点发送至上位机进行处理 该系统集温湿度信号采集 无线射频发送 上位 机显示等功能于一体 无线终端节点工作在待测地点 进行温湿度数据采集和无线发送 关键词 ZigBee CC2430 安防子系统 中图分类号 TN 913 6文献标识码 B 随着我国国力的不断增强 人民的居住环境也在日新月异的科学发展中不断改善 而家居安防系统 已成为家居智能化的重要组成部分 要避免失火 煤气泄漏这类事件的发生或者将事故的损失降到最 低 传统的人防保安方式已难以适应住户的要求 利用先进的计算机 通讯与网络等技术为居民提供成 本低廉 安全性强的安全防护系统 已成为家居安防系统发展的必然 温湿度监测系统作为家居安防系 统的子系统 对家庭内火灾的发生起到预警作用 本文设计的无线温湿度检测系统中 终端节点由 CC2430 芯片和数字温湿度传感器 SHT10 构成 通过 ZigBee 实现无线通信 数据经协调节点发送至上位 机进行处理 该系统能实现温湿度数据采集和无线发送 并能在上位机显示 1温湿度监测系统总体设计 家庭安防系统中 网络技术的选择一般以下面两个方面作为依据 一是组建网络的性能要求 如数 据传输速率 可靠性等 一是能否满足用户的功能需求 从技术角度上看 目前家居安防系统组网的实 现方式主要有三大类别 有线技术 电力载波 PLC 技术 无线技术 传统的家居安防系统一般采用有线方式组建 包括以 Lon Works CEBus RS485 CAN Bus Ethernet 等技术支持的总线方式和以 X 10 协议支持的电力载波方式 有线方式具有网络抗干扰性好 容量大 速率高等特点 但布线麻烦 影响美观 系统扩展性差 系统安装和维护成本高 移动性差 ZigBee 技术 作为一种低功耗 低数据速率 低成本的无线技术 更适合于家庭自动化 安全保障系统及进行低速率传 输的低成本设备之间 温湿度监测系统作为家居安防系统的子系统 对家庭内火灾的发生起到预警作用 本文基于 CC2430 和数字温湿度传感器 SHT10 设计了一个监测温湿度终端节点 使用 ZigBee 技术实现温湿度的 无线检测 温湿度监测系统原理图如图 1 所示 图 1温湿度监测系统原理图 本系统主要由三个单元构成 温湿度传感器节点 协调节点和上位机 其中温湿度传感器节点由温 湿度传感器 SHT10 与 CC2430 射频收发装置组成 采集的温度数据 湿度数据通过 ZigBee 无线射频方 式发到协调节点 协调节点再通过 RS232 串口线将数据传给上位机做进一步处理和显示 协调节点与 传感器节点可以采用星型网络拓扑结构通信 可以同时监测多个区域 何时监测哪个区域由协调节点来 控制 当被检测区域的障碍物较多或者协调节点距离传感器节点较远时 亦可采用树型网络拓扑结构 即通过增加路由器节点来增强网络的稳定性 本系统采用星型网络拓扑结构 2监测节点硬件设计 本文设计的家庭 ZigBee 安防网络是由大量体积小 成本低 具有无线通信 传感 数据处理功能的 传感器节点 sensor node 组成的 每一个传感器节点由数据采集模块 数字传感器 数据处理和控制 模块 微处理器 存储器 通信模块 无线收发器 和电源模块等组成 无线温湿度监测系统可分为协调节点和无线终端节点两大部分 每个节点都配 CC2430 芯片 CC2430 是 Chipcon 公司 已在 2006 年被美国德州仪器 TI 公司收购 推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应 用的片上系统 它是世界上首个真正的单芯片 ZigBee 解决方案 是世界上第一个真正意义上 SoC 它支 持2 4GHz IEEE 802 15 4 ZigBee 协议 协调节点的 CC2430 芯片经 RS232 串口线连接上位机 而无线 终端节点通过 CC2430 的 I O 口连接数字传感器采集信息 CC2430 的应用电路原理图如图 2 所示 图 2 CC2430 的应用电路原理图 本系统的温湿度传感器采用集成温湿度传感器 SHT10 封装格式采用 DHT90 即将传感器器件 SHT10 和信号处理集成在一块微型电路板上 输出全标定的数字信号 传感器采用专利的 CMOSens 技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性 传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件 一个用能隙材料制成的测温元件 并在同一芯片上与 14 位的 A D 转换器以及串行接口电路实现无缝 连接 DHT90 的供电电压范围为 2 4 5 5V DHT90 的串行接口 在传感器信号的读取及电源损耗方 面 都做了优化处理 传感器不能按照 I2C 协议编址 但是 如果 I2C 总线上没有挂接别的元件 传感器 51第 4 期邬春明等 基于 ZigBee 的智能家居温湿度监测系统设计 可以连接到 I2C 总线上 但单片机必须按照传感器的协议工作 SCK 用于微处理器与 DHT90 之间的通 图 3 SHT10 与 CC2430 连接电路原理图 讯同步 DATA 三态门用于数据的读取 SHT10 与 CC2430 连接电路原理图如图 3 所示 3节点软件设计 无线温湿度检测系统的软件实现包括两部分 ZigBee 协调节点和温湿度传感器节点 ZigBee 协调节点的主要作用是组建一个网络 接受终端节点入 网和发送来的数据 并通过串口发送数据至 PC 机 首先对协调节点进行初始化 包括处理器 协议栈 中断 串口等 之后新建一个网络并进入网络监听和等待状态 当收到子节点的入网请求后 协调节点 先随机为子节点分配一个网络地址 然后向子节点发送入网确认信息 建立连接后等待接收终端节点发 送温湿度数据 数据接收成功后发送数据到 PC 机 温湿度传感器节点作为终端节点 负责采集 处理和发送数据 首先温湿度传感器 SHT10 用一组 启动传输时序进行数据传输的初始化 然后发送一组测量命令 00000101 表示相对湿度 00000011 表示摄氏温度 释放 DATA 线 等 SHT10 下拉 DATA 至低电平 表示测量结束 同时接收数据 完成初 始化过程 之后节点发送入网请求 加入网络成功后进入空闲状态待定时时间到进行数据采集并向其协 调节点发送 如果发送失败继续尝试 直到发送成功为止 软件流程图如图4 所示 图4 a 为 ZigBee 协 调节点的软件流程图 图 4 b 为温湿度传感器节点的软件流程图 图 4节点软件流程图 61东北电力大学学报第 32 卷 4结语 本文设计的无线温湿度监测系统 作为家居安防系统的子系统 以低成本 低功耗无线单片机 CC2430 为核心 采用数字温湿度传感器 SHT10 获取数据 电路结构简单 工作稳定 检测精度高 且具 有无线数据通信灵活 方便等特点 利用 ZigBee 实现家居安防系统中部分子系统的无线化 免去了布 线带来的麻烦 整体上节约了系统的成本 有很强的实用性 参考文献 1 王法杰 基于 ZigBee 的无线温度检测系统 J 工业控制计算机 2010 23 12 53 54 2 王延年 穆文静 基于 ZigBee 的无线信号采集传输系统的研究 J 西安工程大学学报 2010 24 08 510 515 3 李劲松 杨明 基于 CC2430 和 ZigBee2006 协议栈的通信模块设计 J 单片机与嵌入式系统应用 2010 02 26 28 4 吕治安 ZigBee 网络原理与应用开发 M 北京 北京航空航天大学出版社 2008 5 蒋挺 赵成林 紫蜂技术及其应用 M 北京 北京邮电大学出版社 2006 6 赵虹钧 基于 ZigBee 技术的智能家居系统的设计 D 上海 上海交通大学 2007 7 黄向骥 基于 CC2430 的无线智能家居系统的设计 D 太原 太原理工大 2010 8 张周 ZigBee 技术研究及其在智能家居中的应用 D 厦门 厦门大学 2007 9 业治琦 智能小区网络化构架 J 电信工程技术与标准化 2003 04 16 19 10 李艳雄 汪鲁才 龚伟 基于总线技术的住宅内智能信息传输系统研究 J 低压电器 2004 07 16 19 11 周怡硕 凌志浩 吴勤勤 无线通信技术及其应用探讨自动化仪表 J 自动化仪表 2005 26 06 5 9 A Monitoring System Design of Intelligent Household Temperature And Humidity Based on ZigBee WU Chun ming YANG Wen yue CHENG Liang Department of Information Engineering Northeast Dianli University Jilin Jilin 132012 Abstract The temperature and humidity monitoring system as a household security system subsystems within the horse to play a role for warning fire In this paper designed a wireless temperature and humidity detection system terminal node is composition by CC2430 chip and digital temperature and humidity sensor SHT10 wireless communication by ZigBee the data by the coordinator node is sent to the host computer to be pro cessed The system integrate collecting temperature and humidity signal wireless tr