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)

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。

图3 SHT10与CC2430连接电路原理图

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

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。

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