基于ZigBee的智能监控系统的设计

基于ZigBee的智能监控系统的设计摘要：本系统是一种基于ZigBee智能监控系统，采用CC2530芯片及各种传感器在ZStack协议的基础上构建ZigBee局域网。文中给出系统硬件原理及上位机软件实现方法。实际测试表明，该系统可靠、方便扩展。关键词：ZigBee、无线传感网、CC25301系统的构建ZigBee技术作为一个新出现的无线个人区域网络通信技术，以其协议简单、成本小、功耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。本系统利用ZigBee组网中常见的星型拓扑结构，实现一种实时信息采集系统。系统工作原理如下：含有不同传感器的终端节点周期性采集环境数据，通过无线网络发送到协调器，协调器将接收的信息进行处理，结合上位机将采集到的信息实时显示，或者与GSM模块通信，以短信形式发送至手机。采样点1采样点2采样点3协调器传感器检测电路1传感器检测电路2传感器检测电路3上位机监控系统/GSM图1系统整体框图2硬件设计CC2530芯片在具备集成度高、功耗低、功能强等基础上更兼具与Zigbee/802.15.4全兼容的硬件层、物理层，并在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、射频收发器、内存及微控制器，因此以CC2530为核心的硬件电路并不需要太多的外围元件就可以完成硬件电路的设计。2.1终端节点硬件设计终端节点由以下3种检测电路组成，通过接收信息可以及时了解室内的光照强度及温湿度情况，并在检测到火灾隐患时发出警报。（1）光照检测电路：通过检测光敏电阻输出信号的变化，判断环境亮度。校准方法：连接好硬件电路，通过调节滑动变阻器R1来调节光敏电阻的灵敏度，使环境在低于所需亮度时发出警报。硬件电路如图2所示。123P2_03.3V光敏电阻R24.7KR110K123DHT11传感器VCCCMD/DANCGND3.3VP0_6R310K1235VR410KP0_5烟雾传感器132546图2光敏传感器电路图图3温湿度传感器DHT11电路图图4烟雾传感器电路图(2)温湿度传感器检测电路：DHT11数字温湿度传感器具有简单的单线制串行接口。硬件电路如图3所示。(3)烟雾传感器检测电路：可检测液化气、烟雾等。硬件电路如图4所示。校准方法：连接好电路后，将传感器置于纯净空气中，预热2分钟，通过调节滑动变阻器R4来调节烟雾传感器的灵敏度，使4-6脚电压U值大小在0.3-1V之间。经实验测得校准后R4约为2.5KΩ。2.2协调器接口硬件设计由于目前电脑上最常用的接口是USB接口，因此将CC2530的TX和RX分别与芯片PL2303的RXD和TXD相连接，扩展相应外设电路，并加载USB转串口驱动，就能实现USB转串口功能。3软件设计终端节点及协调器工作流程如下：首先协调器初始化网络，确定其16位网络地址、PANID、网络拓扑参数等。下一步开始判断是否允许终端节点加入该网络，若同意则分配一个网络地址给终端节点，至此组网完成。使用ZStack协议中提供的SampleApp例程文件即可实现以上功能。终端节点加入网络后，开始循环采集环境信息并通过无线网络发送至协调器进一步处理。3.1终端节点E1软件编程以下详细介绍读取DHT11数据的步骤：（1）DHT11在越过1s不稳定状态后，DATA引脚就保持高电平，开始检测外部信号。令微处理器的I/O输出不低于18ms的低电平，设置引脚的I/O为输入状态。等待DHT11做出应答。（2）DATA引脚检测到外部低电平信号结束时，就先后输出80us的低、高电平分别作为应答信号和通知外设接收数据，微处理器检测到I/O有低电平后，等待80us的高电平后开始数据接收。（3）由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据，之后继续输出低电平，50us后转为输入状态，返回到步骤（1）。位数据“0”的格式为：50us的低电平和26-28us的高电平；位数据“1”的格式为：50us的低电平加70us的高电平。。如：接收到40位数据为：0011101000000000000101000000000001001110湿度高8位湿度低8位温度高8位温度低8位校验位验证00111010+00000000+00010100+00000000=01001110与校验位数值一致因此判断接收到的数据正确，因此湿度：00110101=3AH=58%RH；温度：00010100=17H=23℃。3.2MQ-2烟雾传感器与光敏传感器终端节点E2、E3软件编程本系统只将这2种传感器作为触发装置，通过硬件调节其灵敏度，当烟雾气体或亮度达到某个临界值就发出警报并作出相应处理。端口扫描程序参考如下：UcharScan(void){if(IO==0){Delayms(10);if(IO==0){return1;//环境正常}}return0;}//环境过暗或发现烟雾，需要发出警报3.3协调器软件编程协调器功能是综合处理各终端节点发出的信息，利用SampleApp例程文件即能实现基本功能，如调用信息处理函数SamplApp_MessageMSGCB()的内容，即可在其中添加数据的处理程序。本系统利用case语句识别信息来源的地址，根据地址调用协议提供的串口写函数HalUARTWrite()，将处理好的信息写入串口。各终端节点通过无线网络发送至协调器的数据，只需调用相关AF函数，即可将信息内容写入。4上位机客户端软件设计利用VB6.0的MSComm控件将串口接收到的数据进行处理，然后分别显示在上位机界面上，可以直观地观察各个节点的状态，并根据需要显示近期的温湿度走势图，当出现报警信息时，报警节点弹出红色警报图标提示用户及时处理。上位机界面如下图5所示.图5上位机正常运行界面图5协调器与GSM模块的通信软件设计在协调器程序上添加GSM初始化程序，并利用HalUARTWrite()函数将信息内容写入GSM模块。按顺序调用如下AT指令：“ATE0\r\n”关闭回显功能；“AT+CNMI=2,1\r\n”新信息到来提示；“AT+CMGF=1\r\n”采用text编码发送接收英文短信；“AT+CREG?\r\n”测试信号质量返回0,1或者0,5正常；“AT+CMGS=15xxxxxx118\r\n”输入手机号码；串口写入短信内容，最后发送结束符号“0x1A”开始发送短信。6结束语本文通过分析ZigBee无线传感网相关特性，设计了智能监控系统及上位机监控软件，可以方便地对温度、湿度和红外报警进行监控。该系统成本低、功耗小，同时具有很强的扩展性和安全性，可广泛应用在其他类似场合。基金：2012福建省大学生创新训练项目，“基于ZigBee与GPRS的智能家居监控系统”（400-000704)参考文献[1]徐永军.无线传感器网络实验教程.北京理工大学出版社[M].2007.[2]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京航空航天大学出版社.2007.4.[3]金纯,罗祖秋，罗凤.ZigBee技术基础及案例分析[M].国防工业出版社.2008.1.[4]郭渊博.ZigBee技术与应用:CC2430设计、开发与实践.国防工业出版社[M].2010.1.[5]无线龙.ZigBee无线网络原理.冶金工业出版社[M].2011[6]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程:基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M]．北京航空航天大学出版社.2009.1.