江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程學(xué)院 張兆朋南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院 黃建松徐州市氣象局 張方方

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基于zigbee的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程學(xué)院 張兆朋
南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院 黃建松
徐州市氣象局 張方方

【摘要】針對(duì)當(dāng)前家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)的不足，提出了利用傳感器檢測(cè)家庭的環(huán)境，利用ZigBee無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集到的信息傳輸?shù)娇刂破鱉SP430，控制器接受信號(hào)后進(jìn)行判斷、處理，遇到危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警處理并把信息顯示在小區(qū)物業(yè)管理辦公室的點(diǎn)陣屏，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送到GPRS模塊，把信息傳到業(yè)主手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)檢測(cè)功能良好，能夠完成對(duì)家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)，排除了家庭居室的安全隱患，同時(shí)稍加修改可用于實(shí)驗(yàn)室或者倉(cāng)庫(kù)等的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；傳感器；MSP430；物聯(lián)網(wǎng)

0　引言

現(xiàn)在居民樓很高，一旦發(fā)生火災(zāi)后果不堪設(shè)想，煤氣中毒、甲醛等有害氣體超標(biāo)，粉塵過(guò)量等都會(huì)影響人們的身體健康，特別目前過(guò)敏性咳嗽的小孩比較多，部分是環(huán)境不良引起的，所以時(shí)刻監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境有助于避免災(zāi)害發(fā)生，有利于人們的身體健康，目前的家庭有毒氣體檢測(cè)僅僅限于有毒氣體的檢測(cè)顯示或者是報(bào)警，但晚上人們睡著時(shí)無(wú)法看到顯示，報(bào)警又會(huì)打擾別人，并不能夠自動(dòng)排除家庭里有毒有害氣體從而會(huì)導(dǎo)致人中毒，特別是現(xiàn)在高層樓房比較多，一旦失火，消防的云梯到達(dá)不了高層，會(huì)帶來(lái)較大的損失。但有限監(jiān)控較多這樣不僅增加了維修難度還影響了美觀，攝像頭監(jiān)控可能會(huì)導(dǎo)致業(yè)主隱私外泄，導(dǎo)致業(yè)主不愿意使用監(jiān)控。

本文利用了ZigBee技術(shù)，采用多種傳感器，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的不足，具有安全、可靠的特點(diǎn)。

1　總體設(shè)計(jì)與原理

圖1　家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)總框圖

本系統(tǒng)利用傳感器檢測(cè)有害氣體、電氣、火災(zāi)和粉塵濃度等，ZigBee節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端連接接收數(shù)據(jù)后傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接數(shù)據(jù)傳遞給控制器MSP430，控制器接收信息后進(jìn)行判斷，超過(guò)一定數(shù)值進(jìn)行處理，發(fā)出報(bào)警等并把信息顯示在務(wù)業(yè)管理員辦公室的點(diǎn)陣屏上，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到主人手機(jī)。

2　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要用到了傳感器（煙霧傳感器、紅外探測(cè)器、甲醛傳感器等），控制器采用MSP430，ZigBee無(wú)線模塊等，利用傳感器采集信息，通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行傳輸實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)。

2.1檢測(cè)部分

檢測(cè)部分利用傳感器用來(lái)檢測(cè)家庭環(huán)境，同時(shí)把檢測(cè)到的信息進(jìn)行傳輸。用到的傳感器有溫濕度傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、紅外探測(cè)器、CO傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

利用傳感器檢測(cè)家庭居室的環(huán)境，其中粉塵傳感器選用的是DSM501，檢測(cè)粉塵含量，甲醛傳感器檢測(cè)甲醛含量，粉塵和甲醛對(duì)人們身體造成很大的危害；煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)是否失火，其中火焰?zhèn)鞲衅髦饕ㄟ^(guò)測(cè)量火焰輻射發(fā)出的紅外線或者紫外線強(qiáng)度及頻率來(lái)判斷火焰是否發(fā)生及測(cè)量其強(qiáng)度；溫濕度傳感器選用SHT11，溫度量程為-40℃-123.8℃，分辨率為0.01℃，測(cè)量精度為±0.4℃。濕度量程為0-100%RH，分辨率為0.03%RH，測(cè)量精度3%RH；紅外測(cè)溫探測(cè)器將線路中散發(fā)的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，根據(jù)溫度判斷是否會(huì)出現(xiàn)電氣火災(zāi)；CO濃度的監(jiān)測(cè)選用TGS5042傳感器，用來(lái)檢測(cè)煤氣是否泄露。各種傳感器進(jìn)行檢測(cè)室內(nèi)的環(huán)境。

2.2ZigBee模塊

ZigBee具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制。

ZigBee組網(wǎng)的無(wú)線接收芯片選用的是TI公司的CC2530，該芯片功耗低、成本低，并且集成了一個(gè)高性能射頻收發(fā)模塊和一個(gè)單片機(jī)，還支持Z—Stack協(xié)議棧。

傳感器檢測(cè)到的信息發(fā)送到ZigBee節(jié)點(diǎn)，然后發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器相當(dāng)于一個(gè)信息中轉(zhuǎn)站，將節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息發(fā)送到控制器MSP430。

2.3控制部分

圖2　控制部分硬件圖

傳感器檢測(cè)到的信息通過(guò)CC2530傳送給控制器MSP430，控制器將接收的信息進(jìn)行處理，當(dāng)超出規(guī)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，如果檢測(cè)到電氣火災(zāi)及時(shí)切斷電源并把信息傳送到物業(yè)辦公室顯示在點(diǎn)陣屏上，通過(guò)GPRS傳到主人手機(jī)，同樣發(fā)生火災(zāi)和煤氣泄露等都把信息傳給物業(yè)和業(yè)主，及時(shí)采取措施，避免財(cái)產(chǎn)人員受到損失，當(dāng)家中有發(fā)生液化氣泄露的情況時(shí)，廚房?jī)?nèi)的檢測(cè)終端檢測(cè)到有毒有害氣體時(shí)，控制打開(kāi)陽(yáng)臺(tái)窗戶(hù)上的電機(jī)，開(kāi)窗通風(fēng)排出有害氣體防止煤氣中毒。

2.4執(zhí)行部分

執(zhí)行部分即通過(guò)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)打開(kāi)窗戶(hù)的部分，控制器引腳輸出電流小，無(wú)法使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)間接控制，實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流，弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。當(dāng)煤氣泄露，單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳電平改變，控制繼電器工作，運(yùn)行電機(jī)，打開(kāi)窗戶(hù)排除有害氣體，避免煤氣中毒；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出響聲報(bào)警，提示有情況發(fā)生；同時(shí)把信息顯示在點(diǎn)陣屏上。

3　軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊在完成MCU及傳感器初始化之后首先判斷各類(lèi)傳感器的工作狀態(tài)，如有異常則通過(guò)Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊向控制中心發(fā)送傳感器故障信息，以便及時(shí)維修或更換傳感器。如一切正常，節(jié)點(diǎn)模塊開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)，利用Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊向控制中心發(fā)生監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

主控制器MSP430單片機(jī)及其外圍電路完成初始化之后，通過(guò)串口中斷接收Z(yǔ)igbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，進(jìn)而加以判斷。如數(shù)據(jù)超出閾值則發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)處理警情；如數(shù)據(jù)處于正常區(qū)間則將數(shù)據(jù)顯示在顯示設(shè)備上。

圖3　節(jié)點(diǎn)程序流程及主控程序流程

4　安裝調(diào)試

系統(tǒng)采用的傳感器放在合適的位置，火焰?zhèn)鞲衅鞣旁趶N房和客廳，溫濕度傳感器放在臥室和客廳，電氣傳感器放在入門(mén)處；甲醛傳感器放在臥室；粉塵傳感器放在客廳；溫濕度傳感器放在客廳。采集到的信息反映到家里的點(diǎn)陣屏上，安全方面的信息傳送到主人手機(jī)并傳到物業(yè)辦公室的點(diǎn)陣屏上發(fā)出報(bào)警。

檢測(cè)部分供電可以采用電池供電也可以采用市電供電，執(zhí)行部分電機(jī)的供電需采用市電供電，并且開(kāi)關(guān)電源功率要比較大，可以滿(mǎn)足打開(kāi)電機(jī)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，否則會(huì)出現(xiàn)打火但電機(jī)不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，無(wú)法打開(kāi)窗戶(hù)。

通過(guò)軟件在電腦上設(shè)置業(yè)主接收的手機(jī)號(hào)碼，一旦家里發(fā)生火災(zāi)等把信息傳送到手機(jī)。工作模式設(shè)置為出差模式、休息模式和正常模式，出差模式是當(dāng)有異常情況出現(xiàn)，信息發(fā)送到物業(yè)報(bào)警提示的同時(shí)把信息發(fā)送到業(yè)主手機(jī)；休息模式，當(dāng)出現(xiàn)煤氣泄漏，直接打開(kāi)窗戶(hù)，排除有害氣體；正常方式是出現(xiàn)異常情況揚(yáng)聲器直接發(fā)出響聲。

5　結(jié)論

本文利用ZigBee技術(shù)，通過(guò)各種傳感器檢測(cè)家庭環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，避免對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)?yè)p失，有利于人們的身體健康。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高，誤差很小，可以滿(mǎn)足日常監(jiān)測(cè)需要。

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作者簡(jiǎn)介：

張兆朋（1980—），男，江蘇沛縣人，碩士，講師，主要從事智能控制方向的研究。