【基于ZigBee的智能环境监测系统设计与实现7700字】

PAGE２２基于ZigBee的智能环境监测系统设计与实现目录摘要 III第1章前言(绪论) １1.1 课题背景 １1.2 研究的内容及意义 ２第2章系统整体框架与关键技术 ３2.1系统整体框架 ３2.1.1ZigBee无线网络 ３2.1.2智能监控网关 ４2.1.3客户端 ５2.2系统中使用的关键技术 ５2.2.1ZigBee技术 ６2.2.2Android平台开发技术 ７第3章智能环境监测系统 ８3.1系统总体设计 ８3.1.1系统总体结构 ８3.1.2系统中数据通信协议设计 ８3.2智能网关程序设计 １０3.2.1程序框架设计 １０3.2.2串口数据读取模块 １１3.2.3数据处理分析模块 １２3.3ZigBee程序设计 １３3.3.1传感器节点程序设计 １４3.4客户端程序设计 １６第4章系统性能测试及分析 １９第5章结束语 ２０5.1总结 ２０5.2展望 ２０参考文献 ２１摘要在这个阶段，中国社会也遇到了人口老龄化的问题，老人独居空巢化也逐渐严重，因此也产生了对其的监护问题。随着年龄增加，人类也不可避免地产生了机体衰老，以及自理不便等问题。可能因为做完饭忘关煤气从而煤气中毒，或者由于意外摔倒可能没有人帮忙支持，这些事情造成的后果让人不安。所以，对于独居老年人的智能家居监控的产生是必然的。本文研究的目的是就是利用计算机技术以及通信技术的飞速发展来实现对于独居老年人的智能家居控制系统，此研究一方面可以使老年人的生活幸福以及保障安全，另外一方面老人的孩子在工作生活中也可以放心。本文设计的是一种基于ZigBee技术的独居老人智能家居控制系统，该控制系统结合了多种技术，包括移动通信技术以及物联网技术等。老年人住所的实时环境参数由基于ZigBee的智能环境监测系统中的传感器节点收集，然后家里的智能网关利用无线传感网络接收，采集到的环境参数被智能网关进行智能分析后，一旦系统检测到异常活动的信息，它将通过无线网络通信发送给老年人的家庭成员。同时，老年人和家庭成员可以使用系统内置的Android应用来随时随地获取环境信息并查看信息。对系统的性能和功能进行测试后，结果表明，老年人智能家居监控系统运行良好。在本文中，设计以及开发的系统可以对老年人进行连续无监督的智能家居监控，而老年人的负担并不会增加。该系统的重要意义是对于解决当前越来越多的空巢老人监护问题和构建文明和谐社会。关键词：ZigBee；独居老人；智能家居；监控系统；无线网络通信

第1章前言(绪论)课题背景与大多数国家面临同样的情况，我国的老龄人口正在以急剧的速度增加，老龄化危机在不断加剧。根据人口结构的定义，60岁及以上的人口占到总人口数量的10％的社会可以被称为社会老龄化。随着社会的发展，人们的生活在过去发生了变化。其中，老人的护理方法也有很大的不同。目前，大多数年轻人忙于生意，疏于对老年人的照顾。年轻时期，他们由于工作、学习、结婚以及其他原因离开家庭。以上原因导致我国老年人独居的情况日益严重，由此带来的老年人空巢的现象也呈现加速趋势。根据中国老龄化委员会的数据统计，到2030年，上世纪八十年代独生子女的父母年老时，我国空巢老人的家庭比例将高达90％。图1.1我国空巢家庭的覆盖率老年人的生理机逐渐减弱，随着年龄的不断增长，自我保健能力越来越差，空巢老人缺少家人照料，从而导致的空巢老人生活的安全隐患加大。部分新闻报道称，空巢的老人在家中发生各种意外而且不能及时被发现，应该尽可能的避免这样的悲剧发生。其中，老人意外摔倒在总数中占到了55.7％。老年人一旦在摔倒后没有得到及时和正确的治疗，通常会受到更加严重的伤害。因此，随着独居老人日益增多的现象发生，如何对这些老人进行智能家居监控，也将成为具有现实意义的事情，而且作用会越来越突出，并可能最后演变成一个公众关注的社会问题。研究的内容及意义针对空巢老人出现的上述安全隐患，本文提出了一种基于ZigBee的独居老人智能家居监控系统，它是一个将物联网技术与移动通信技术加以结合的智能家居控制系统。首先基于ZigBee的智能环境监控系统中的传感器节点收集到的老年人住所的实时环境参数，然后通过无线传感器网络将其传输到家里的智能网关。智能网关对收集到的环境参数进行智能数据分析，在发现异常信息时立即提醒老年人的家人。并且，老年人住所地的相关环境信息会通过该系统的Android客户端提供，此外，老年人的家人也可以随时获取想要的相关信息。随着物联网技术和移动通信技术的不断发展和完善，本文希望利用先进的技术为独居老人建立起家庭智能监控系统。该系统可以实时智能监控空巢老人的生活环境和活动状况，而且无需老人进行任何操作，在保护了老人的身体健康和安全的同时，也消除了子女的后顾之忧。这对于建立和谐家庭具有积极而重要的意义。第2章系统整体框架与关键技术2.1系统整体框架智能环境监控系统作为老年人智能监控的系统，图2.1所示的是该系统的整体框架。图2.1系统整体框架该系统的重要组成部分，即核心部分是智能监控网关。智能监控网关能够实时获取老年人的生活环境信息，并通过智能手机实现实时显示。一旦有异常情况发生，智能监视网关将向远程监视发送警报消息。用户可以通过智能监控网关将命令发送到房间中的中继节点。中继节点连接着扬声器，可用来提醒老人按时服药。为实现达成这些功能的目的，最重要的操作是要建立一个ZigBee无线传感器网络，通过串行端口，将网络和其他通信方法收集的传感器数据传输到远程监控设备。2.1.1ZigBee无线网络图2.1ZigBee无线网络由右侧的协调节点、传感器节点和中继节点共同形成。ZigBee无线技术具有高性能的网络功能，可以集成到星形网络中，具有较少的网络节点，并且具有“最简单的高级星形网络系统网络拓扑”。星形网络包括一个协调器和只可以和协调器通信的一系列终端节点。星形网络结构的拓扑如图2.2所示。图2.2ZigBee星型网络拓扑的结构示意2.1.2智能监控网关智能网关是整个监视系统的重点。主要实现网络连接家庭内容，互联网连接以及远程控制。如果智能网关硬件平台基于普通计算机，则价格昂贵，重量轻且无法控制。如果您使用微控制器来构建智能网关，太多的功能将无法实现，因为使用该操作系统无法运行。随着高速发展的嵌入式技术的不断完善，嵌入式处理器也相对应的变得越来越高效。相比较普通的计算机设备，其效能、功耗以及所需空间等各方面存在明显优势。该系统的智能网关使用三星ARMCortex-A9四核CPU的FS4412开发板，核心频率为1.4-1.6GHz。图2.3显示为FS4412开发板的板载硬件资源，具有如此丰富资源的开发板在扩展性方面占据绝对的优势，对系统的开发设计有着独一无二的重大价值。图2.3FS4412版在硬件资源从图2.3可以看出该开发板接口丰富。客户可以通过网卡来实现与智能网关的远程通信，智能网关也可以使用串行端口与ZigBee无线传感器进行网络通信。同时，摄像头以USB接口为中间载体，连接到智能网关。收集数据并在发现异常时仔细分析并提醒警告客户。智能网关也可以实现远程访问，以便第一时间对老人的生活进行了解。2.1.3客户端近段时间以来，移动互联网发展速度迅速，使用高速移动网络和智能站连接Internet并享受Internet提供服务的消费者数量呈日渐增长的趋势。本系统的客户端是基于使用Android系统开发的智能目标平台。与传统PC平台上的客户相比，智能终端客户可以在其智能手机上安装Android应用来实时监控他们的活动，并实时发现家中的异常情况。方便智能的终端不仅能够保证老人生活的便利和舒适，而且确保老人的安全，作为子女，也能安心工作，消除后顾之忧。2.2系统中使用的关键技术老年人居住环境的信息被ZigBee无线传感器网络技术实时收集，并被智能监控系统获取，最终传输到智能监控网关。老年人的家庭成员可以使用在Android系统下开发的客户端软件进行接收信息，实时对老年人的周围环境和活动状况进行检测。对于要实现智能监护系统，ZigBee和Android等技术是一定要掌握的，以下内容主要对两种技术进行阐述。2.2.1ZigBee技术作为一种功耗较低，距离传输短的无线通信技术，ZigBee技术打破了以往诸如蓝牙技术之类的短距离通信技术的垄断地位，优于蓝牙设备的昂贵和使用复杂等缺点，ZigBee技术的出现受到了制造商的好评和推崇。不仅如此，ZigBee技术还建立了IEEE802.15.4组织，后来称为802.15.4协议，负责制定技术标准。ZigBee技术的应运而生，在业界得到广泛应用。并具有以下这几点优点：1.低功耗；2.成本低；3.免执照频段；4.高可靠性；5.网络容量大；6.时延短。通信距离短是该无线通信技术的主要特征。可控制在4mV以内的低功耗发射器更加容易与设备进行连接。一系列的优良性能让其作为老年人家庭环境生活的监视系统。表2-1比较了无线通信技术的功能。表2-1多种无线通信技术的比较规范ZigBeeWiFi蓝牙红外工作频率868MHz/915MHz/2.4GHz2.4GHz2.4GHz850nm-900nm传输速率250kbps300Mbps1Mbps4Mbps传输距离75m300m10m10m功耗1~4mV105mV不定1~104mV传输方式点到多点点到多点点到点点到多点网络节点数量最多支持255个节点最多支持255个节点只能供两台设备通信只能供两台设备通信用途工业控制、智能家居等局域网局域网玩具、遥控、家电控制2.2.2Android平台开发技术Android平台是Google的一种嵌入式操作系统，平台已包含智能监控门户和远程客户端。开发该程序的客户端相对容易。但是由于智能门需要无线端口和传感器的原因，对于智能网关的开发，相对而言较为复杂。因为它是通信网络，所以程序必须包含通信端口为串行的功能。这需要将串行端口通信库添加到堆栈层。通过三个HAL通道启动，写入和读取线路，这对于启动，上传和下载非常有用。在完成串行端口上的通信库并将其导入到项目中之后，用户可以调用该库以在端口串行上执行操作。图2.4Android串口通信机制的示意图

第3章智能环境监测系统家庭环境的好与坏，对于老人的生活至关重要。因此实时监控老年人，为其创造健康安全的居家环境，具有重要的现实意义。融合了多种技术的智能家居监控，在紧急情况下，为了确保安全的居住环境，系统将向用户发送警报。3.1系统总体设计3.1.1系统总体结构对于环境的温度、湿度、亮度等因素系统都会监控。该系统的主要功能在于自动收集、处理和分析环境数据，并进行实时显示，且及时通知用户异常情况的发生。智能监控网关作为信息处理的终点，基于内置处理器的内部控制器，负责接收、处理和分析数据。结构图如图3.1所示。图3.1智能环境监测系统的结构图3.1.2系统中数据通信协议设计从图3.1中可以看出，智能环境监控系统涉及协调器和网关，协调器和传感器以及协调器和中继器之间的信息通信。双方必须遵守通信规则，作为正常的通信协议。1.传感器与协调器之间节点的通信协议在保证数据完整的同时，通信协议应尽可能简单，来确保通信的效率性和安全性。具体如表3-1所示。表3-1传感器与协调器之间节点的通信数据格式2字节1字节1字节4字节2字节1字节固定头部(header)数据类型（type）数据长度(length)传感器数据(data)保留位(reserve)校验位(check)状态机用于描述传感器节点与协调器节点之间的通信顺序，如图3.2所示。图3.2传感器与协调器之间节点的通信协议时序图2.继电器与协调器之间节点的通信协议协议数据以二进制的格式进行编码。具体如下表3-2。表3-2继电器与协调器之间节点的通信数据格式2字节1字节1字节4字节固定头部数据发送对象发送给继电器节点的命令内容保留位同样，描述继电器节点和协调器节点之间时序的也是用状态，如图3.3所示。图3.3传感器与协调器之间节点的通信协议时序图3.智能网关和协调器之间的通信协议作为双向通信的智能网关和协议设备，为了降低协议复杂性，上游数据消息格式使用表3-1中定义的通信格式，下游命令使用表3-2中的通信格式。4.智能网关和远程终端设备之间的通信协议基于Android平台，智能网关和远程客户端之间的数据通信采用HTTP协议，考虑到传输快速、分析简单、阅读方便等因素，本文选择JSON格式作为智能网关和远程客户端之间的通信格式。例如，需要获取温度值和湿度值时，客户端发送的数据为{“obect”：“temper”，“action”：“get”}，以及智能网关发送的响应消息为{“temp”：30，“result”：“OK”}3.2智能网关程序设计3.2.1程序框架设计智能网关的功能主要包括：1.接收信息，同时发送命令给协调节点。2.分析和处理数据。3.进行通信。因此，智能网关程序可以分为三个模块：串口数据读取模块、数据处理分析模块、Http数据通讯模块。如图3.4所示，HTTPServerService将创建两个线程。一个是串行端口读取线程。线程被成功创建后，将进行数据读取，保存到内存变量中。另一个线程是Http数据通信线程。接收来自远程客户端的网络请求。在过程中，程序从内存变量中读取收集的串行端口数据。图3.4智能网关程序框架图3.2.2串口数据读取模块在这类中您可以定期将请求发送到串行端口，然后等待串行端口中的数据返回。读取的串行数据是新的主线程可以通过处理程序机制获取串行端口数据。传感器的值和原始采样值将根据约定的算法转换为用户可以理解的值值经过处理后，将一个采样周期的串行端口数据放入存储器数据结构中。串口读取的细节该过程如图3.5所示。图3.5串口数据读取模块流程图3.2.3数据处理分析模块Http数据通信线程完成数据处理分析。处理线程将根据3.1.2节中的通信协议分析设计，最终根据参数进行登录、注册等处理。具体的分析和处理流程如图3.6所示。图3.6数据处理分析模块流程图3.3ZigBee程序设计在无线ZigBee传感器网络中，通常包括三种类型：协调器节点、路由器节点和终端节点。协调节点是ZigBee网络的核心，它被用来构建ZigBee网络。路由器节点负责网络上路由数据和路径，对于ZigBee网络的覆盖范围实现扩大化。存储各种传感器数据并控制外部设备主要靠终端设备节点。图3.7ZigBee网络结构对于ZigBee硬件的制造，德州仪器（TI），飞思卡尔（FreeScale），飞利浦（Philips）等公司是主要的几大制造商。其中，TI公司提供了基于ZigBee协议规范的免费Z-Stack。为形成硬件抽象层，Z-Stack协议栈封装了基础硬件，并开发六OSAL这一简单的操作系统。而用户只能开发ZigBee程序，通过调用ZigBee事件来进行完整开发。Z-Stack协议栈的总体结构如图3.8所示。图3.8Z-Stack协议栈结构图3.3.1传感器节点程序设计传感器节点复杂收集老年人的居家环境信息，然后发送到无线协调器节点。当传感器节点不需要存储数据时，可以通过Z-Stack协议栈中的电源管理功能关闭采集模块电源，这样也能减少系统的能耗。图3.9传感器节点程序流程图系统中使用的三种类型的传感器，在数据采集过程中的处理方式也不尽相同，而是各有千秋。1.数字型传感器SHT11型号传感器作为系统温度和湿度的传感器，集成了传感元件和信号处理电路。温度和湿度传感器通过I2C总线直接输出数字，但是数字输出湿度具有一定的非线性特性，因此在计算温度时需要公式3-1进行校正。RHlinear其中RH是线性补偿后获得的湿度值，X是由湿度传感器测得的相对值，C1、C2和C3是补偿系数。相对而言，温度传感器的线性度好，不需要线性补偿。可以直接使用公式3-2进行计算。T=d1+d2∗SOT(3-2)其中T是温度传感器收集的最终温度值，SOT是温度传感器测试的相对值，d1、d2是转换系数。2.模拟型传感器该系统使用两个模拟传感器，即光线和烟雾，将输出的模拟信号转换为电压信号，再转换为数字信号。3.开关型传感器当传感器检测到火焰时，传感器将关闭开关传导电路，并将输出1V电压信号。高电平时有火焰，而低电平则没有火焰。3.4客户端程序设计客户端程序基于Android平台开发，包括两个功能：从智能网关获取环境数据、向智能网关发送控制命令。如图3.10，为获取环境数据的流程图。图3.10客户端获取数据的流程图客户端创建一个负责发送命令的新线程，首先根据命令格式构造一个包含合法命令的Http请求，发送到智能网关，然后接收响应。如果返回OK，则命令执行成功。具体执行流程如下：如图3.11所示。图3.11客户端发送命令的流程图

第4章系统性能测试及分析为了更加注重系统性能，基于ZigBee的智能家居环境监控系统，将进行传感器网络性能测试和智能监控网关两大功能的测试。要测试的内容包括以下几点：终端节点加入传感器网络的时间、终端节点与协调器节点之间的通信距离和时间、协调器与终端节点之间的通信协议。（1）测试节点之间的通信距离。终端节点以某个周期收集数据，并发送到协调器。协调器缓慢增加与终端节点的距离，直到无法接收为止。由此得到的距离是协调器和终端节点之间的最大距离。经过多次反复实验，取平均值即确定为协调器与终端节点之间的通信距离。结果表明，在两者间没有障碍物的情况下，最大通信距离为150米，如果有隔离墙，则最大通信距离为40米。（2）测试加入网络的时间。采用Ti提供的PacketSniffer工具来分析节点网络。通过分析PacketSniffer捕获的数据包，发现终端节点加入网络的时间与两者间的距离密切相关。5-1是连接时间和终端节点距离之间的关系。表4-1终端节点加入到ZigBee网络的时间距离10m20m30m40m入网的时间0.75s0.89s1.12s1.26s（3）协调器与终端节点之间通信协议的测试。监控网关接收协调器发送的数据，通过计算特定数据，可以设置阈值。一旦有异常发生，控制命令立即发送到中继节点。智能家居监控系统的设计是否能够满足消费者的要求，整个系统的性能测试尤为重要。经过各方面全方位的不同测试，智能家居监控系统各因素足以满足不同用户的不同需求，系统完全可以稳定可靠安全运行。第5章结束语5.1总结本文对如何设计空巢老人中性价比最高的智能家居系统进行了深入探讨。在传统的智能家居系统的基础上，对家居系统进行了增强和改进，使收集到的数据信息可以更好更快地传输到用户侧。但是，由于水平有限，故该设计无法显示出完美的功能。智能家居环境监控系统，由传感器从家中捕获实时环境信息，使用ZigBee技术发送到智能网关，分析环境参数；在发现异常时提醒老年人子女，及时采取相应措施。5.2展望定位技术、无线通信技术、传感器技术等都在日新月异地发展和更新，并且智能家居系统也在逐步改进以满足人们对居住环境的不同需求。该设计基于ZigBee网络，以改善空巢老人的智能家居系统。但由于研究时间、实验成本以及个人能力等方面存在限制，在设计上仍存在缺陷，需要在以后加以改进：（1）该系统设计仅使用几种常见类型的传感器来收集数据，而不能完全收集房屋中的其他数据信息。以后，可以根据需要添加其他类型的传感器。（2）想要做到随时随地远程监控还不容易实现，毕竟传感器数据的计算精确度有限，尤其对于温度和湿度的数据采集。此外，传感器的类型较单一，在以后的研究中可以考虑增加不同类型的传感器。（3）无法对获取的数据实现精确的分析、管理和自动存储，以后需要加强这些功能。参考文献[1]十二五中国老年人口老龄化、高龄化、空巢化加剧，/GB/1027/14056751.html.[2]李文伸，段朝玉等，ZigBee无线网络技术入门与实践[M]．北京：北京航空航