智能家居环境检测系统设计

徐俊峰

摘要：本文研究设计了一种智能家居环境检测系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的部分就是本文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等。同时，此系统中传感器所得到的环境参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节，比如，当测量到的光照强度高于用户设定的一定值的时候，系统就将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内的光强度，适合居住;又如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。因此，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的环境，从而使环境监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节，能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度有非常重要的意义。

关键词：环境检测;传感器;Zigbee

1 绪论

自古以来，人类无时无刻不在关注自己的生活，并且不断提高自己的生活条件，试图通过自己的努力改善自己的生活。在19世纪时，人类爆发了工业革命，极大的提高了人类的生活质量，在20世纪，由于信息技术革命的成功，使人类的生活飞速发展，进入21世纪后，我们所熟知的计算机网络通信技术、品种、控制理论和互联网技术不断的飞速发展，为了人类的生活条件，人类已经取得了很大的进步。此外，经济的发展也使我们的理想生活发生了改变，从以前的破旧草屋到现在的舒适别墅，以及所使用的家居。我们可以有一个更好的生活，并且将身体健康作为重要指标。

2 Zigbee技术综述

ZigBee是一种基于个人区域网络协议的低功耗，遵从IEEE802.15.4协议。我们由此得出结论，并且根据该协议，我们可以得到，ZigBee技术是应用非常广泛，它依靠短距离传送信号，而且功耗低，由此可以被广泛应用。这种技术是一种无线通信技术。ZigBee名字来自蜜蜂，由蜜蜂的舞蹈形态来命名，因为蜜蜂就是通过跳舞来传递新发现的食物或其他信息，换句话说，蜜蜂就是这样在通讯网络上实现通信的，由此可知，每个蜜蜂个体都是网络中的一个节点。

2.1 Zigbee技术特征

ZigBee网络是通过采用我们所熟悉的无线组织网络技术来实现通信的，类似于蜜蜂的通信。网络中节点之间的通信是以单跳或多跳的形式自动建立的。基于ZigBee协议的网络节点通信。与传统的无线网络相比，网络节点的主要优点有以下几个方面。

（1）网络稳定性好。

（2）成本低。

（3）功耗低。

（4）网络容量大。

（5）数据传输速率低。

（6）工作频段灵活。

（7）网络延迟时间短。

2.2 Zigbee协议分析

2.2.1 网络层（NWK）

据我所知，ZigBee网络层的主要功能是为了确保ZigBee的正常工作，同时也在基础上定义了一些必要的功能和函数，并提供适当的服务接口。网络层为Zigbee的正常工作提供了两个必要的功能性服务实体，并且，网络层会通过数据库分别向应用层提供服务接口：管理服务实体和数据服务实体。为网络层数据实体服务接入点，网络层数据实体提供数据传输服务;但是网络层管理实体却不同，它是通过网络层管理服务访问点（nlme-sap）提供网络管理服务。网络层管理实体通过使用网络级数据实体完成某些网络管理，网络信息库通过网络级管理实体完成。

2.2.1.1 网络层数据实体（NLDE）

网络层数据实体提供的服务如下三项：

（1）指定拓扑传输路由。

（2）网络层的协议数据单元

（3）通信的机密性和真实性。

2.2.1.2 网络层管理实体（NLME）

在本次研究实验中，我们所运用的网络层管理实体技术，充分表明了这种技术的优越性能和简便性。这种技术不但允许加入的应用与堆栈之间连续的相互作用，并且还能为整个系统提供一个安全稳定的网络管理服务，使这项试验变得非常简单快捷。我们所研究的网络层管理实体技术为本次实验的顺利进行提供了以下的几种服务：

（1）配置一个新的设备。

（2）初始化一个网络。

（3）连接和断开网络。

（4）邻居设备发现

（5）寻址

（6）路由发现

（7）接收控制

2.2.2 应用层（APP）

我们所使用的应用层在平常的生活中都是主要通过研究用户所使用的喜好，根据用户的喜好而特定的开发，并且能够维护节点的所有功能，在该节点的工作空间中找到其他节点的工作，然后根据服务的需要为不同的节点提供通信服务。ZigBee应用层主要有三个不同的部分：应用支持子层，设备对象，制造商定义的应用对象。

2.2.2.1 应用支持子层

APS层提供这样的接口：一组公共服务从设备对象，供应商的应用对象和应用层之间的网络层。该服务是由两个实体实施：APS管理实体（apsde）和APS的數据实体apsde。

（1）APSME通过APSME服务接入点（APSME-SAP）;

（2）APSDE通过APSDE服务接入点（APSDE-SAP）。

APSDE，也就是我们常说的AIB，同时这些服务包括绑定设备和安全服务。

2.2.2.2应用层框架

在ZigBee设备中为应用程序对象提供活跃环境的应用框架是ZigBee，是本次实验研究中的主要组成部分。Zigbee在本次实验中，我们最多可以定义240个独立的应用程序对象，并且任何对象的端点数都是从1到240。也有终端apsde-sap，本次实验所使用的终端通过使用两个额外的节点：端点0号专门应用于ZDO数据接口;和255个端点号用于广播数据的所有应用程序对象的数据接口的另一端;最后，是要保留的241-254终点时有需要扩大使用。

2.2.2.3Zigbee设备对象

Zigbee设备对象作用：

（1）初始化安全服务规范（SSS）

（2）安全管理作用。

在描述了应用程序框架的应用程序对象的网络功能和控制装置的应用对象的公共接口。在终端节点0，ZDO提供了一个接口与协议栈的较低层的连接。如果接收到数据时，它将访问通过apsme-sap，如果接收到了控制信息那么将会是通过apsme-sap接入点。ZDO公共接口的各种功能如设备发现、绑定地址管理提供服务，并在ZigBee协议栈的应用框架的安全。

3 家居环境监测系统方案

在本次研究实验中，我们所使用到的家居环境监测系统，主要是通过运用无线感器技术来实验远程控制、运用无线网络技术实验各个系统的链接以及哥哥系统之间的协调关系，运用计算机技术则能实验整个系统的功能。通过综合运用以上3中技术，得以实现本次设计的系统能够在远程实现对家庭环境的实时监测，因而运用这种技术，能够间接地为人类创造一个更加健康舒适的环境，增加生活的乐趣，使生活更加丰富多彩，会打造出一个更加舒适的家居环境。

3.1系统结构

根据Zigbee技术，设计的系统结构如图3.1所示。

[参考文献]

[1]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：北京航空航天大学出版社， 2009.

[2]杨守良， 廖长荣， 张东. 模拟电子技术基础[M]. 北京：科学出版社， 2016.

[3]陈洪亮， 张峰， 田社平. 电路基础.第2版[M]. 北京：高等教育出版社， 2015.

[4]王丽. 单片机原理及应用[M]. 北京：国防工业出版社， 2014.

[5]刘焕成. 工程背景下的单片机原理及系统设计[M]. 北京：清华大学出版社， 2011.

武昌工学院 430065