【基于ZigBee技术的智能家居系统设计15000字（论文）】

。图3.12光敏电阻传感器模块的电路原理图3.2.7信息采集显示模块本系统利用TFT彩色显示屏幕作为信息显示模块。它可以自主地控制屏幕上的每一个像素块，因此缩短了反应时间。下图为TFT屏幕与CC2530的连接方式如图3.13所示。图3.5TFT屏幕与CC2530的连线图3.2.8报警模块智能家居系统为了家居环境的安全性，当以上传感器模块测量数据出现异常时，报警模块会通过蜂鸣器对用户进行报警。智能家居系统的软件设计4.1智能家居系统的软件开发环境本文主要是在CC2530核心硬件上进行ZigBee网络的组建和软件的开发，瑞典公司推出的IARfor80517.6的C语言集成开发环境和Z-Stack协议栈构成了本系统的软件开发环境。4.1.1Z-Stack协议栈TIZ-Stack装在基于IAR的工程中定义了软件和通信硬件在不同级间工作要怎么和谐配合，可以完成复杂的网络连接。协议栈采用分层结构使栈中每一层都能相对独立地提供由协议定义的服务，这样，只需要关注与问题直接相干的层的协议就好，这样的结构极大的简便了我们的工作。Z-Stack类似于TCP/IP协议也使用分层的结构，一共分为五层：与协议栈相互独立、串联各个层的操作系统抽象层（OSAL）、提供任务调度的任务调度主循环层、定义外围设备接口函数的外围设备层、为上下层通信提供服务的ZigBee板级支持层以及负责各种硬件设备的驱动程序的硬件抽象层（HAL）。上层与下层之间可以通过服务和借口点来进行交互，并且可以通过层层传递数据来进行工作。Z-Stack的流程图如图4.1所示。图4.1Z-Stack流程图4.1.2ZigBee的软件开发环境IAR本文采用IAR进行设计。而IAR优化编译器可以极大的优化代码程序并且运作十分高效，这可以节俭硬件资源达到简洁化的目的以及达到减少产品成本的目的，更可以有效拓宽了市场。除此之外，IAR的工程有着路径支持而且有着高效浮点支持。在内存模式上，可以有着不同模式的选择从而获得目标特性的扩充；内部通过大小优化器和优化程序速度的芯片，从而进行中断处理操作和模拟操作十分便捷，还能对自己的瓶颈能力进行分析，在支持版本控制和工具拓展方面也十分良好。图4.2为其主要工作功能。图4.2IAR的主要功能4.2智能家居系统的系统终端节点软件设计终端节点都可以被视为是传感器的节点，一个合格的软件设计必须基于硬件设计之上，因此本文在硬件设计的基础之上设计了智能家居系统的系统终端节点设计，对提升系统的性能有着很大的好处。4.2.1终端节点的软件设计本文设计主要采用了网状型网络拓扑结构，终端节点可以视为传感器的节点，且其是ZigBee网络结构中最为简单的一部分。由于终端节点并不支持路由功能，只是简单的FFD或者RFD，所以终端设备也可以在无网络的情况下工作，并不会影响整个网络。系统中，烟雾传感器、空气温湿度传感器以及光敏电阻传感器来采集数据，这三个传感器再与终端节点即核心芯片CC2530连接。以下是部分程序：1.温湿度传感器模块实验中用到了串口和P0_7,DHT11程序采用模块化编程思想，只需调用温度读取函数即可因此相当方便。在dht11.c里，以下代码与IO口密切相关，如果修改传感器IO口，修改这几行即可，我们默认是接在P07上：#defineDATA_PINP0_7#defineDATA_PIN_INPUT(P0DIR&=~0x80)#defineDATA_PIN_OUTPUT(P0DIR|=0x80)同时dht11.c里提供了一个函数接口，用于读取当前的温度和湿度,voidDHT11(void);系统周期调用ht11()函数，就会周期读取温湿度数据，读取的时间要3秒以上一次。编译之后，传感器会自动测量温湿度数据，并将分别保存在变量wendu和变量Shidu中。之后数据传输到控制端，由控制端读取并判断，并串口输出和LCD显示。部分程序截图如图4.3所示。图4.3温湿度传感器模块的部分程序截图2.烟雾传感器模块在这一模块，IO接口连接报警模块的蜂鸣器，触发条件为为空气中的烟雾浓度大于阀值。此时连接的LED1灯闪烁。同时传感器上的DD-LED会闪烁。在HAL目录下找到hal_adc.c文件，每个函数都有“#if(HAL_ADC==TRUE)”定义，这时候将hal_board_cfg.h把HAL_ADC定义为TRUE。再通过使文件hal_adc.c，ADC电压值显示在屏幕上。uint16HalAdcRead为此函数模型。之后在终端联网后启动定时器，当终端定时器超时，启动采样，再对采样的数据进行分析。其中函数GetMq2()把MQ-2传感器的AO口输出的电压转换成数。最后协调器接到数据后，显示在显示屏上同时串口输出，还可以根据AO口的值对蜂鸣器进行报警。首先双击打开代码工程，通过仿真器把开发板接到电脑上。然后开始编绎下载。当程序已下载完成，可以运行的时候，接上传感器并且上电运行程序，此时的USB口可以直接供电。然后在MQ-2传感器探头处用火柴点燃气体试试。达到报警条件时，LED1会闪烁,传感器上的DD-LED也会长亮。部分程序截图如图4.4所示。图4.4烟雾传感器模块部分程序截图3.光敏传感器模块首先打开工程，然后配置终端光敏传感器用到的IO引脚以及协调器的蜂鸣器IO口。其次，终端隔一段时间就检验引脚的电平。屏幕把结果显示出来。再给协调器传过去。然后协调器接收数据，判断要不要报警。报警的话蜂鸣器会响。最后终端隔一段时间就看看时间。时间间隔在sampleApp.h里定义，一般零点五秒一次。部分程序截图如图4.5所示。图4.5光敏传感器模块部分程序截图4.3智能家居系统的协调器节点软件设计协调器节点可以说是本系统的网络核心，是整个智能家居系统ZigBee网络的管理员，其任务是将终端节点发送的各项数据进行储存和管理并且还需要与PC端连接以来实现数据的相互传输。其组网流程图如图4.6所示。图4.6协调器的组网流程图本文主要采用ESP8266网关模块来实现终端和控制端的数据传输。终端传递数据至Wifi网关模块过程和终端接收WIfi网关模块数据内容如图4.7所示。图4.7终端传输数据至Wifi网关模块协调器Wifi网关可以实现与电脑端的数据收发过程，其内容如图4.8所示。图4.8Wifi网关电脑端的数据收发过程Wifi网关模块接收数据的程序截图如图4.9所示：图4.9Wifi网关模块接收数据的程序截图系统调试及分析当在进行智能家居系统的调试之前，要先确认本系统内硬件设备的情况，如无短路、断路、供电电压不稳等现象。然后调试。本系统的调试过程：先进行组建网络测试，后对各传感器节点进行测试，再对蜂鸣器和进行测试，最后测试系统整体运行情况。5.1SmartRF04EB仿真器SmartRF04EB仿真器在IAR开发环境下用于对CC2530芯片进行开发和编程的软件，在CC2530的开发之中必不可少。SmartRF04EB仿真器每个节点的物理地址都是不同的，并且有电源供电功能的红灯和目标板寻找功能的绿灯。SmartRF04E仿真器PC端操作界面如图5.1所示。图5.1SmartRF04E仿真器PC端操作界面5.2ZigBee网络组建测试在测试系统的硬件情况之后，经测试无短路等异常现象后，可进行测试ZigBee网络组建过程，本系统通过Wifi网关模块进行组网，结构为星形网络。首先用SmartRF04EB软件把程序烧入板子里，然后将Wifi拨码网关打开至“open”。选择合适的串口和参数，测试AP和STA。AP模式:首先打开配置工具。然后将左边网络参数一栏的协议设置为TCP服务器。并且把本地端口设置为8080。再把右边无线参数栏中的工作模式设置为AP。并且设置一个网络，选择加密方式，并设置密码。配置IP为。网关配置界面如图5.2所示。图5.2AP模式下的网关配置界面2.STA模式：首先打开配置工具。然后将左边网络参数一栏的协议设置为TCP服务器。并且把本地端口设置为8080。再把右边无线参数栏中的工作模式设置为STA。并且设置一个网络，选择加密方式，并设置密码。配置IP为。网关配置模块如图5.3所示。图5.3STA模式下的网关配置界面5.3传感器调试5.3.1温湿度传感器调试首先选择先将采集温湿度数据的程序烧入终端。再通电让A板也就是协调器接上LCD。然后给B板也就是终端接上DHT11传感器并上电，如果联网成功后D1常亮，如果联网不成功D1灭，最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试温湿度传感器可以正常工作。5.3.2烟雾传感器调试首先先将采集气体浓度数据的程序烧入终端。其次给终端插上传感器。然后插上显示屏并且通电。再用火柴在传感器上空点燃空气。可以显示屏上AO和DO变化。当测量浓度大于阈值时，终端的灯会闪烁。满足条件后此时传感器的DD-LED也会长亮。最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试烟雾传感器可以正常工作。5.3.3光敏电阻传感器调试首先先将采集光敏数据的程序烧入终端。再通电让A板也就是协调器接上LCD。然后给B板也就是终端接上光敏电阻传感器并上电，如果联网成功后D1常亮，如果联网不成功D1灭，最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试光敏电阻传感器可以正常工作。5.4蜂鸣器调试首先预先设置好阈值，将程序写入终端，将协调器和PC端用USB线相连并为协调器上电；将传感器放在待测位置；给所有传感器上电；改变传感器所置环境，使其环境参数异于阈值，测试蜂鸣器能否自动发出声音。经测试蜂鸣器可正常工作。第6章总结及展望6.1课题总结在疫情影响下，居家办公成为一种工作方式，居家环境慢慢趋向智能化、数字化。智能家居是未来家居发展的主流方向，更是在经历疫情之后正处于百年未有之大变局的时代中智能化、数字化我们的居住环境显得尤为重要。但目前的智能家居市场由于成本高、消耗大的问题大多数只面向高端市场而不是低端市场。为了能够充分解决这一问题，本文基于ZigBee技术的基础上设计了智能家居系统，利用ZigBee技术短距离无线传输、成本小容量大且安全性和可靠性都较高等优点，设计了一款符合大众要求的智能家居系统。本系统在TI的CC2530核心电子板的基础上，添加了烟雾传感、温度湿度传感以及光敏传感模块，并采用ESP8266透传网关进行终端与电脑端的数据传输。主要完成了以下工作：学习了智能家居在国内外的发展历史和现状，分析国内智能家居不足和发展趋势。从而确定了利用无线通信技术的系统设计方案。介绍了ZigBee的发展过程，大体的工作流程和主要特性，通过对比其他技术总结其优势并分析其技术前景。详细阐述了ZigBee技术的功能和原理。主要从网络拓扑结构、设备类型、各层协议规范等方面。通过对智能家居系统实际情况的分析和对ZigBee技术的理解设计出本系统的硬件框架，选出合适本系统的硬件：CC2530芯片、MQ-2烟雾传感器、ESP8266透传网关、光敏电阻模块和YL-47DHT11传感器等，并对它们的功用特性进行介绍。比较详细地介绍了IAR以及Z-Stack，搭建出系统的软件设计，完成了终端和协调器的程序设计。设计完成后进行了一系列的调试。6.2存在不足及展望1.信息无线传输距离限制较大。2.系统的稳定性还可以提高。3.智能家居考虑的因素较多，本文只对其中的几个方面做了检测，并且也需要一定的人工部分不能做到很高的智能性。4.本系统可提供的简便性还有所欠缺。针对这些问题，为了将系统进一步完善，还可以展开许多工作：可以除了电脑端之外可以增加手机端，进一步的方便了人们的日常生活。应当多研究传感器以来增加系统的传感器部分，增加创新性如人脸识别、人体红外等功能，是系统更加贴近人们的生活。对ZigBee的深入研究有所匮乏，应当深入研究后采用合适的路由和网关，进一步提升网络的稳定性和传输距离。可以对ZigBee技术的干扰检测和干扰避免算法两个方面进行深入研究，进一步提高系统的抗干扰能力。另外由于居住环境的隐私性，系统的安全性也有待提高。参考文献吴旭霞．基于ZigBee的智能家居系统的研究与开发［D］江苏:扬州大学，2018．申斌,张桂青,汪明等.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].自动化与仪表,2013,28(2):6-10徐婉.基于以太网和ZigBee的智能家居系统设计[D].太原理工大学.2012.邱喆．无线智能家居系统设计与实现［D］．大连:大连理工大学，2018．刘坤,崔永俊,张祥.基于ZigBee和Qt的高精度无线温控系统[J].仪表技术与传感器,2018(12):115-119.熊先青,吴智慧.家居产业智能制造的现状与发展趋势[J].林业工程学报,2018.3(6):11-18.黄文凤.智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势[J].集成电路应用,2013.10():16-18.]GomezC,ParadellsJ.Wirelesshomeautomationnetworks:Asurveyofarchitecturesandtechnologies[J].CommunicationsMagazine,IEEE.vol.2010,48(6):92-101.EDCallawayLowPowerConsuptionFeaturesofIEE802.15.4/ZigBeeLR-WPANStandardpresentedinSensy[J].www.ZigB.2010(8):66-74. MIDDLEBＲOOKＲ．D．NullDoubleInjectionandtheExtraElementTheorem［J］．IEEETＲANS．ONEDUCATION，1989，32(3):167－180．V.Aleksieva.SimulationFrameworkforRealizationofPriority-basedZigbeeNetwork[J].InformationTechnologiesandControl,2016.14(2):12-14.葛广英，葛菁，赵云龙.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京:清华大学出版社,2015.ShahinFarahaniPhD.ZigBeeWirelessNetworksandTransceivers[M].2008.9.30.王彤.基于Z-Stack协议栈的ZigBee网络组网研究与实现[D].保定:河北大学,2012.AlamMR.andReazMB.AReviewofSmartHomes-Past,Present,andFuture[J].IEEETranscationonSystemManandCyberneticsPartC-Applicationsan