基于ZigBee技术的家居环境监测系统的设计与实现模板.doc

基于ZigBee技术家居环境监测系统设计和实现摘 要：环境是大家赖以生存必需条件，伴随现代化信息技术迅猛发展和提升，大家对自己生活环境有了更高要求，期望自己生活环境健康、舒适。近些年，尤其是人类在信息技术上快速发展，使得多种无线通信技术有了前所未有突破，无线技术在智能家居上应用将越来越广泛。所以，本文利用ZigBee技术设计出了这种无线家居环境监测系统。该系统中，传感器节点（即终端节点）能够选择温度、湿度、亮度等传感器，而且能够依据需求添加或降低传感器节点。所以本文无线网络终端模块选择CC2530芯片为平台，以实现信息数据接收和发送。此芯片内置8051内核单片机内核，并有一定内存空间，故只要加上些少许外围电路就能够实现功效，无需再加单片机。在数据接收端（即协调器节点）收到数据处理传送到PC机上显示。为了让用户方便监测数据，本文在PC机上设计了显示界面，让大家愈加方便操作及监测数据。本系统运行可靠，能正确获取环境数据，实现实时监测。关键词：ZigBee;无线传感器网络;环境监测;智能家居DesignandRealizationofHouseholdEnvironmentMonitoringSystemBasedonZigBeeTechnologyAbstract：Environment is a necessary condition for survival. With the rapid development and improvement of modern information technology, people have higher requirements for their living environment. They hope they live healthily and comfortably. During recent years, especially the quick development of information technology which enables all kinds of wireless communication technology to improve unprecedentedly. So,the thesis utilizes ZigBee technology to exploit and design the wireless home environmental monitoring system. In the system, the sensor node(as well as terminal node) can choose temperature, humidity, brightness etc. Therefore, the wireless network terminal module of the thesis choose the CC2530 chip as the platform for realizing receiving and sending of the information data. The chip has a single chip with 8051 core and has certain memory space. Thus, it can realize its function by adding a little peripheral circuit without extra single chip. The received data processing in the data receiving terminal(that is coordinator node) send to PC for peoples real-time monitoring. The thesis designed the display interface in PC for peoples operation and data monitoring conveniently. The system works reliably which can obtain correct environmental data and realize real time monitoring.Keywords： ZigBee;Wireless sensor networks; environmental monitoring; smart home目录序言1第1章 绪论21.1 本文研究背景21.2 智能家居环境监测系统特点21.3 本文关键研究内容31.4 开发工具及开发环境介绍31.4.1 系统软件开发环境介绍41.4.2 上位机软件开发环境介绍5第2章 ZigBee技术概述72.1 ZigBee技术概念72.2 ZigBee技术特点82.3 ZigBee网络设备组成和网络结构82.4 ZigBee协议分析102.4.1 网络层（NWK）102.4.2 应用层（APP）112.5 本章小结12第3章 系统总体设计133.1 系统结构133.2 系统功效定义133.3 系统设计要求153.4 本章小结15第4章 系统硬件设计164.1 ZigBee硬件选型164.2 节点硬件设计184.3 本章小结21第5章 系统软件设计及实现225.1 软件部分总体介绍225.1.1 软件设计整体步骤225.1.2 协调器自动组网步骤225.2 协调器节点软件实现255.3 传感器节点软件设计275.4 本章小结28第6章 上位机软件实现及测试296.1 上位机软件实现296.2 软件测试306.3 本章小结32结束语33参考文件34致谢35序言自人类诞生以来，大家一直全部在努力改善和提升着自己生活和居住条件。伴随工业革命和信息技术革命成功，进入二十一世纪后，人类多种技术包含通信技术、计算机网络、控制理论、互联网等全部有了很大发展，另外，经济发展也使我们全部期望居住在一个舒适家居环境中，只有这么我们生活才会愈加好，身体才会健康。因为大家又了这种想法，由此智能家居(Smart Home)1系统也就越来越多被大家所重视了。研究人员期望能经过这种新技术将家居中多种智能化设备、家用电器和家庭安防设备等整合一个智能化系统上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备，控制这些设备来对家居中环境参数符合大家舒适居住使用要求，营造一个良好环境2，从而可使用户能够居住在一个更高要求环境中。本文研究设计了一个智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境实时监测，实时为用户提供可靠而且全方面环境信息。智能家居系统中一个很关键部分就是本文所研究环境监测子系统。在这个系统中，大家能够取得实时居住环境信息，如温度和湿度、多种有害气体浓度、光照强度、火灾信息等。同时，此系统中传感器所得到环境参数能够为其它家居设备做决议参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境智能调整，比如，当测量到光照强度高于用户设定一定值时候，系统就将开启自动窗帘系统马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内光强度，适合居住；又如，当温度值偏低时，系统就将开启空调设备进行工作，来增高室内温度。所以，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活环境，从而使环境监测子系统成为了智能家居系统一个很关键关键部分和基础步骤，能否拥有一个好智能家居系统关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善大家生活环境舒适度含有很关键意义。第1章 绪论1.1 本文研究背景伴随计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平不停发展，对监控数据传输实时性、数据接口开放性和数据链接安全性要求越来越高，有线控制网络不足也越来越突出，无线优势也越来越显著。其中ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚发展潜力2。将设备数据采集以后再经过无线ZigBee网络进行传输是ZigBee技术在工业现场环境中一个应用，这种新兴技术必将给工厂现代化注入新活力。传统工业数据采集和控制系统，其数据传输通常以工业控制总线作为介质，以致大全部局限于当地近距离范围之内应用。伴随国民经济发展，企业及机构管理规模不停扩大，其需要管理和控制对象更趋多样性，甚至含有流动性，分布范围也包含到不一样地域。为了对这些分散对象进行有效集中管理，对远程及移动数据采集和控制需求也就日益迫切3-4。ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场空白，其使用便捷性是该技术成功关键，它适适用于短距离小范围基于无线通信控制领域，必将在工业自动化等领域得到广泛应用5。数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于ZigBee网络平台之上，将成熟技术稳定性和新技术便捷性充足结合起来，这种结合对于工业现场十分必需。降低了在一些场全部线网络布线和工人人工采集数据不便，同时能够方便于多种传感器搭配用于不一样场所6。 1.2 智能家居环境监测系统特点无线环境监测系统拥有全方面、可靠环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测正确性、全方面性而且方便使用，本文环境监测系统应含有以下多种特点：(1) 多对象监测环境监测系统需要检测多个环境信息，如：温度、湿度、有害气体浓度、光照强度等。这么才能为用户提供全方面环境信息参考。(2) 多点监测需要对同一环境参数在不一样地点和不一样时间分别进行测量，这是因为环境中多种环境信息不一样时间和空间上分布不含有均匀性，由此实现监测全方面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3) 系统灵活当有新环境参数被要求测量时，系统可扩展性要求灵活，方便增加节点，以降低成本。1.3 本文关键研究内容伴随中国经济和科技迅猛发展，大家生活水准越来提升，日常家居环境更受到了大家关注。多年来伴随家庭装修时工业板材及其它有毒气体释放源使用，室内环境不容乐观。这就要求有多种有害气体监测功效家居环境监测系统介入，为我们营造一个安全健康家居环境。此课题意在设计出一款能够快速、实时、正确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等环境监测系统，使用基于ZigBee 短距无线通讯技术，环境信息采集模块和显示终端实现无线通信，省去了传统布线麻烦。依据以上介绍，本文关键研究以下：(1)ZigBee协议介绍。关键介绍了ZigBee协议中各个部分组成和数据结构，并对各层中关键内容进行了具体分析；(2)本文以无线传感网络为基础，以ZigBee技术纽带，具体设计出家居环境监测系统中两种节点-协调器节点（控制中心）和传感器节点。在协调器节点中，本文实现了电源、串口通信、PCB天线等关键电路设计；而在传感器节点中，因为其和协调器类似，故仅针对不一样环境信息，设计出了不一样传感模块；(3)本论文还设计了串口调试操作界面，能够方便用户调试和使用，由此用户就能够实时了解到家庭中个中环境信息参数。1.4 开发工具及开发环境介绍1.4.1 系统软件开发环境介绍IAR Embedded Workbench(简称 EW)C/C+交叉编译器和调试器是现在为止是业界较易使用和较完整专业嵌入式应用开发工具。EW 对不一样微处理器提供了统一直观用户界面。EW 今天已经能够支持35种以上8位/16位/32位多种微处理器结构。EW包含：嵌入式C/C+优化编译器，编辑器，连接定位器，汇编器，库管理员，C-SPY 调试器中和项目管理器。使用IAR编译器能够得到较紧凑介绍代码，从而节省硬件资源，最终得以最大程度地降低产品成本，从而以提升产品竞争力。EW8051 现在是IAR企业发展较快产品，EW8051 已经发展到了8系列版本，而且在同类产品中含有显著价格优势。其编译器能够对部分SOC 芯片进行专门优化. 如Atmel,TI,ST,Philips。除了EW MCS-51标准版外，IAR 企业还专门为ARM、MP430等微处理器开发出专门版本，方便了不一样用户需求。IAR System是嵌入式领域唯一能够提供这种处理方案企业。EW支持35种以上8位/16位/32位微处理器结构。它配合TI企业仿真器能够直接将程序下载到CC2530中7。IAR Embedded Workbench集成编译器关键产品特征： 完全兼容标准C语言。 内建对应芯片程序速度和大小优化器。 高效PRO Mable 代码。 目标特征扩充。 瓶颈性能分析。 高效浮点支持。 便捷中止处理和模拟。 工程中相对路径支持。 版本控制和扩展工具支持良好。 内存模式选择。本文使用是IAR EW 8.10版本软件，其和Windows XP系统兼容性很好，在中国研究CC2X30系列芯片人应用此软件较多。图1-1为IAR Embedded Workbench 8.10软件界面。图1-1 IAR软件界面1.4.2 上位机软件开发环境介绍Qt是一个跨平台C+图形用户界面库，有挪威TrollTech企业开发，现在包含Qt/X11、基于FramebufferQt/Embedded、快速开发工具Qt Designer和国际化工具Qt Linguist等。大家所熟知Linux下面KDE环境就是基于Qt开发而成。Qt支持Unix和Linux系统和Windows系统。Qt关键特点有：面向对象，很轻易扩展，而且许可真正组件编程；Qt对各个模块进行了良好封装，使各模块可重用性很好；优良跨平台特征，使用Qt类编写程序能够实现“一次编码，四处编译”，极大降低了跨平台开发难度；构件支持，对于对象间通信Qt没有采取函数回调方法，而是采取了一个全新而且可选被称为“信号和槽”对象间通信机制，经过一个对象信号发射，另一个槽函数响应，使各个对象之间通信安全而且高效。Qt这些特点使它很适合于真正构件编程，同时使各个组件之间协同工作变得十分简单，而且Qt是直接基于Xlib，不依靠Motif工具包，所以它实施效率比通常基于平台代码实施效率要高。图1-2为Qt软件界面图1-2 Qt软件界面第2章 ZigBee技术概述2.1 ZigBee技术概念ZigBee是一个基于IEEE802.15.4标准低功耗个域网协议，依据此协议要求，ZigBee技术是一个短距离、低功耗无线通信技术。这一名称起源于蜜蜂一个名叫Zig舞蹈，因为经过连续不停地跳这种舞蹈来实现对新发觉食物或其它信息传输，换句话说蜜蜂是依靠这么通信方法来实现了一个通信网络，而每个个体则是网络中一个节点。这么做好处是不需要专门通信蜜蜂，经过信息接力就完成了整个通信，从而实现了蜜蜂低成本、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等信息传输方法。受蜜蜂这种特殊通信方法启发，ZigBee技术研究也关键是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦能够低成当地嵌入多种设备中组成庞大网络。总而言之ZigBee技术就是一个低功耗，低成本无线网络通信技术8。ZigBee 技术关键用于低数据传输速率而且传输距离要求不是很远多种通信设备之间。ZigBee联盟则于成立，而在下六个月，Invensys、Mitsubishi、Motorola和Philips四大半导体企业共同宣告加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”新一代无线通信标准，而在作为中国通信行业龙头华为企业亦加入了此联盟。截至现在，该联盟大约已经有约27家组员企业，全部这些企业全部参与了负责开发ZigBee协议物理层（PHY）和媒体控制层（MAC）技术标准IEEE 802.15.4工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用是2.4GHz波段，采取了跳频技术，这和蓝牙技术相同，能够说是同族弟兄了。但相比之下 ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee基础速率是250kb/s，而若当其速率降到28kb/s时，传输半径可扩大到134米，并可得到更低功耗和更高可靠性。另外，单个ZigBee无线模块就可和254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。因为它低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周围产品和家庭自动化仪器等低速率应用时能够比蓝牙做地愈加好，大家更期望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee应用9。2.2 ZigBee技术特点ZigBee网络采取是无线自组织网络技术，和蜜蜂通信类似，网络中各个节点间通信以一跳或多跳形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，和多种传统无线网络相比，其关键优点有以下多个方面:(1) 网络稳定性好。其设计网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预情况下自己组网并实现数据传输任务，当添加或去除网络中某个节点时，其它节点能够自行寻求其它节点替换中转信息，含有较强网络自愈能力。(2) 成本低。因为ZigBee联盟已经有二十多家，她们研发实力全部很强，好多企业均已在正式推出自己ZigBee芯片，竞争较大，多年来应用于主机端芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上优势；另外，因为ZigBee技术速率要求低，协议内容简单，从而节省了开发成本，现在常州市场CC2XX0等芯片零售价格在2030元之间不等。(3) 功耗低。它超低功耗也使得在应用中三节1.5v干电池即可使用6个月至2年时间，这也是ZigBee最大一个优势。(4) 网络容量大。每个ZigBee设备能够和另外254台节点设备相连接，而加入路由节点ZigBee网络最多可容纳多达65，000多个节点网络。(5) 数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s，符合本设计需求。(6) 工作频段灵活。使用频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，能够直接使用。(7) 网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达成10。2.3 ZigBee网络设备组成和网络结构依据ZigBee联盟所设定技术标准，按功效分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee终端设备(ZigBee End Device)。她们功效分别以下：(1) ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)：它是个全功效设备，包含全部网络功效，是3种设备中功效最全方面亦最复杂一个，特点是计算能力强、存放量大。它作用是发送网络信标、建立而且管理一个网络及网络节点、存放节点信息而且不停地接收下级节点所发来信息。(2) ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功效设备在加入网络后，协调器就会分配给它一定量十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，含有数据转发及路由之功效。(3) ZigBee终端设备(ZigBee End Device)：其通常简化功效设备。只能自己和上一级如协调器或路由器之间通信，包含获取网络地址等。 在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构(Star)，网状结构(Mesh)和簇树型结构(ClusterTree)，图2-1所表示。星状（start）网状（Mesh）簇状（Cluster）协调器路由器终端设备图2-1 ZigBee网络拓扑结构图在星状结构中不管是路由器或终端设备全部是直接和协调器进行通信，而ZigBee协调器则负责运作和维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间信息交换只能经过一级级向上传输到协调器，再由协调器将信息分发下去11。2.4 ZigBee协议分析2.4.1 网络层（NWK）ZigBee网络层关键功效就是确保ZigBeeMAC层(IEEE 802.15.4)正常工作，同时定义了部分必需函数，而且为应用层提供适合服务接口。网络层提供了两个必需功效服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。经过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP），网络层数据实体（NLDE）得以提供数据传输服务；网络层管理实体(NLME)和之不一样，它是经过网络层管理实它体服务接入点(NLME-SAP)来提供网络管理服务。网络层管理实体则是利用网络层数据实体完成部分网络管理工作，而且网络信息库(NIB)理是网络层管理实体完成。 1、网络层数据实体（NLDE） 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或多设备之间进行数据传送任务时，则是根据应用协议数据单元(APDU)格式进行传送，而且全部这些设备必需是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。网络层数据实体提供服务以下三项：(1) 指定拓扑传输路由，网络层数据实体发送一个网络层协议数据单元到一个适宜接收设备，此设备可能是一个在通信链路中中间通信设备，也可能是最终目标通信设备。(2) 生成网络层协议数据单元(NPDU)：经过增加一个合适协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单元中生成网络层协议数据单元。(3) 安全：确保通信机密性和真实性。 2、网络层管理实体（NLME）络层管理实体许可应用和堆栈相互作用，而且提供网络管理服务。网络层管理实体提供了以下多个服务：(1) 配置一个新设备：设备应含有足够堆栈来确保其正常工作需要，而且满足配置需要。配置选项包含对连接一个现有网络设备或一个ZigBee协调器初始化操作。(2) 初始化一个网络：使设备有能力建立一个新网络。(3) 连接和断开网络。要求设备含有断开网络能力和含有连接一个新网络能力，以建立一个ZigBee协调器或路由器。(4) 邻居设备发觉：需要含有发觉、汇报和统计相邻设备信息能力。(5) 寻址：ZigBee协调器和路由器含有分配地址给新加入网络设备能力。(6) 路由发觉：含有发觉而且统计传送信息网络路由能力。(7) 接收控制：含有控制设备是否处于接收状态能力，即控制接收机接收信息时间长短和什么时候来接收信息，以此来确保MAC层正常接收和同时等。2.4.2 应用层（APP）应用层关键由用户依据具体应用进行自我开发，用以维持节点多种功效，发觉此节点工作空间范围内其它节点工作，再依据服务需求为各个不一样节点提供通信服务。ZigBee应用层有三个不一样部分分别是：应用支持 (Application Support Sub1ayer，简称APS)子层、ZigBee设备对象 (ZigBee Device Object，简称ZDO)和制造约定义应用对象。1、应用支持子层APS层提供了这么接口：在NWK层和APL层间，从设备对象到供给商应用对象通用服务集。这服务由两个实体得以实现：APS管理实体(APSDE)和APS数据实体APSDE。(1) APSME经过APSME服务接入点(APSME-SAP)；(2) APSDE经过APSDE服务接入点(APSDE-SAP)。APSDE提供了多个服务给应用对象，维护管理对象数据库，也就是我们常说AIB，同时这些服务包含绑定设备和安全服务。APSDE则提供在同一个网络中两个或多个应用实体间进行数据通信服务。2、应用层框架为存在ZigBee设备中应用对象提供活动环境是ZigBee中应用框架。其最多能够定义240个较为独立应用程序对象，任意一个对象端点编号全部是从1到240。另外还有两个附加节点终端为了APSDE-SAP使用：端点号0专门应用于ZDO数据接口；而另外一端端点号255则专门应用于全部应用对象广播数据数据接口；最终，端点241-254则是要保留给有需要扩展时候使用。3、ZigBee设备对象ZigBee设备对象(ZDO)，描述了一个基础功效函数，这个函数为在应用对象、设备profile和APS之间提供了一个接口。ZDO在应用支持子层和应用框架之间，在ZigBee协议栈中应用操作通常需求它有所满足。ZDO还有以下作用：(1) 初始化安全服务规范(SSS)，应用支持子层(APS)和网络层(NWK)。(2) 从终端应用中集合配置信息来实施和确定发觉、网络管理、绑定管理，和安全管理等作用。ZDO描述了应用框架层应用对象网络功效和应用对象公用接口用以控制设备。在终端节点0处, ZDO则提供了和协议栈中低一层进行连接接口，若接收是数据，则经过APSME-SAP接入点，而若是控制信息则经过APSME-SAP接入点。ZDO公用接口则在ZigBee协议栈应用框架中提供设备发觉、绑定、和安全等多种功效地址管理服务。ZigBee设备对象关键功效以下：(1) 初始化网络层、应用支持子层和安全服务层；(2) 提议或响应绑定请求；(3) 在网络内部发觉设备，而且确定为此发觉设备提供给用服务种类；(4) 定义设备在网络中多种角色，如，终端设备、路由器或协调器；(5) 从终端应用来搜集各个配置信息来确定和实施发觉管理、网络管理、安全管理和绑定管理等；(6) 在网内各个设备之间建立起安全又可靠关系。2.5 本章小结本章对ZigBee技术进行了关键讨论。首先对ZigBee技术进行了概述，其次简单介绍了ZigBee技术多种特点及网络拓扑图，最终对ZigBee协议，MAC层，还有网络层和应用层各关键功效全部进行了介绍，为下面研究工作提供了有力基础。尤其对最终在程序设计时起了很大作用。第3章 系统总体设计3.1 系统结构本论文是基于ZigBee技术无线传感器网络环境监测系统，所以依据ZigBee技术标准和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和PC组成该系统。其中，传感器节点经过ZigBee无线技术和协调器进行信息交换，协调器则经过串口RS-232和PC进行相连通信。本文设计系统结构图3-1所表示PC协调器传感器节点传感器节点传感器节点图3-1 系统结构图由图3-1可知，本系统中传感器节点关键负责是环境信息采集和发送，协调器节点关键负责是网络建立、终端节点管理、数据处理和对PC端数据通信。当然在实践过程中能够依据家庭居住环境大小和所需监测内容，来增加或降低传感器节点。当监测区域较大时，可用增加传感器节点方法来确保网络连通性，相反区域较小时能够依据情况降低路由器节点设置以节省系统资源，降低成本。在本设计实践步骤，本人只是用了一个温度传感器做了演示。3.2 系统功效定义为了实现基于ZigBee技术家居环境监测系统设计，现对系统多种功效作出以下定义：(1) 管理中心(PC)：实时显示家庭中多种环境信息，而且用户可经过PC实现对网络中各个节点设置和管理，如：管理网络各个节点节点信息，发送数据采集命令，发送休眠指令，设置传感器节点采集环境信息周期长短；(2) 协调器节点：组建并初始化ZigBee无线网络，管理各传感器节点终端，发送和接收网络数据和指令，同时和管理中心(PC)进行通信；(3) 传感器节点：对周围环境信息进行实时采集，并经过ZigBee无线网络实时将环境信息发送到协调器节点。本文设计环境监测系统关键是获取家庭环境中部分环境参数，以实现对环境信息全方面监控，从而为用户决议提供有利参考。以下是对多种参数介绍： (1) 温度人体对温度改变甚为敏感，在环境温度高于36摄氏度后，每增加一度对人体负面影响全部是几何级增加，故此系统中最关键也是最基础就是环境中温度采集。温度传感器能够在用户设定频率下采集区域温度信息，并将其发送到协调器节点进行处理，再由协调器将处理结果数据经过串口发送到PC，此时，PC可按之前用户设置好参数和程序对空调系统进行控制，从而实现对室内温度控制，当然这些是后续控制，不在本文讨论范围内。家庭中每个房间能够多放多个这么类似节点，可实现在同一个房间进行多点温度信息采集，以提升温度测量正确度。(2) 湿度人类对湿度即使不是尤其敏感，但其时时刻刻亦影响着大家健康，尤其是老年和儿童。现在大家常常是经过一般加湿器来调整室内湿度，这类加湿器通常只是手动操作，这么就存在着人为主观不确定性，最终也有可能不利于环境之改善。而在本系统中，经过湿度传感器对湿度信息采集，再经由PC处理后，对加湿器进行控制，即可达成科学明了地控制室内湿度。(3) 一氧化碳气体燃气关键成份就是一氧化碳 当燃气发生泄漏时，空气中一氧化碳浓度达成一定时，就会对家庭人员生命带来威胁。故对一氧化碳气体浓度监测也是必不可少一部分。当系统检测到一氧化碳气体浓度大于用户设定是初值时，PC会立即发送报警信号到报警装置或是家庭组员手机或直接报警，PC在开启报警装置同时，或能够自动控制开窗，以达成室内空气流通效果，确保家庭组员安全。(4) 亮度亮度监测能够利用分布在各个房间里光敏传感器来实现。光敏传感器能够将感知光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传输到PC，经过处理和判定光线强度，来控制窗帘开关或灯开关。当光线过强时，能够控制窗帘自动合起或电灯关闭，反之则能够控制其打开或电灯打开。当然，本系统能够依据用户不一样需求增加或降低传感器数量，及使用不一样传感器进行监测。3.3 系统设计要求本系统是在家庭环境中实现多种功效，依据此特点，能够总结出以下多个要求。分别从软硬件两个方面来得以实现。1、硬件要求(1) 低功耗：因为是无线传感网络，节点较多，所以只能由电池供电，故要求低功耗以延长使用，降低电池更换次数。(2) 安全性：本系统为家居环境控制系统做前期数据采集，若出现错误，则可造成PC判定错误，造成错误控制。如，未发生一氧化碳泄露即报警等。故要求系统安全性(3) 外观：因为要安装在家庭各个地点，故要求其尽可能小巧，美观。(4) 可扩展：能够依据用户不一样需求，随时增加或降低传感器节点设置。2、软件要求软件方面要求程序模块化设计，能够使系统升级方便以备增加节点时修改其中一个模块而其它地方无需改动；程序设计要简单，数据传输格式要统一。3.4 本章小结本章关键是对系统总体方案和各个组成部分进行了设计。同时，对不一样环境参数做了介绍，以本系统对环境监测功效需要。最终，对系统整体设别提出了设计要求，为系统后续软硬件设计提供了要求和设计基础。第4章 系统硬件设计4.1 ZigBee硬件选型在介绍整个系统硬件设计方案之前，首先对现在市场上售卖关键几款基于ZigBee技术硬件平台及其各平台本身特点进行一一介绍。现在关键有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飞思卡尔）等几家企业有ZigBee产品。TI/ CHIPCON企业公布了单芯片ZigBee处理方案CC2530片上系统级芯片(SOC)，结合了领先RF 收发器优良性能，业界标准增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和很多其它强大功效。由此CC2530得以广泛应用于工控系统、汽车和无线传感网络等多种领域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 802.15.4标准ZigBee单芯片方案EM250。它集成了可编程处理器、RF射频、网络协议及存放器；JENNIC(捷力)企业JN5121芯片则在业界属于第一款兼容于IEEE 802.15.4低功耗，低成本无线微型控制器；而FREESCALE（飞思卡尔）现在主推完全兼容IEEE 802.15.4标准并获认证ZigBee射频芯片为MC13193。（1） TI/CHIPCONTI企业TCC2530 是用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用一个真正片上系统（SoC）处理方案。它能够以很低总材料成本建立强大网络节点。CC2530 结合了领先RF 收发器优良性能，业界标准增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和很多其它强大功效。CC2530 有四种不一样闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别含有32/64/128/256KB 闪存。CC2530 含有不一样运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求系统。运行模式之间转换时间短深入确保了低能源消耗。（2） EMBER(ST)EM250半导体系统提供更长距离和可靠共存性，包含低功耗16位微控制器，128KB闪存，5K RAM，2.4GHz无线电和Ember企业EmberZNet 2.1软件。EmberZNet 2.1是ZigBee兼容网络堆栈，含有独特能扩展ZigBee功效性，简单性和性能增强特征。这些特征包含支持移动节点，大/密网络，和能在节点和授权分布式结构间提供愈加可靠无线通信传输层。EM250含有用作ZigBee位标器节点，全功效设备(FFD)或降功效设备(RFD)所需资源。（3） JENNIC(捷力)JN-5139芯片是一个低功率及低价位无线微处理器，关键针对无线感测网络产品为主，JN-5139整合了32-bit RISC微处理器，完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4送收器，192k ROM，另外，可选择搭配RAM容量从8KB至96KB(不一样料号)，也整合部分数字及模拟周围线路，大幅降低外部零件需求。内建内存关键是用来储存系统软件，包含了通讯协议堆栈，路径表，应用程序代码和资料。也包含了硬件MAC地址和AES加解密加速器，并拥有省电和定时睡眠模式，另外还有安全码和程序代码加密机制。（4） FREESCALE（飞思卡尔）MC1320x是飞思卡尔企业推出符合802.15.4标准下一代收发信机，它包含一个集成发送/接收（T/R）开关，能够帮助降低对外部组件需求，进而降低原料成本和系统总成本。该收发信机支持飞思卡尔软件栈选项、简单MAC（SMAC）、802.15.4 MAC和全ZigBee堆栈。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收发信机，闪存能够在1660 KB范围内选择。MC13211提供16 KB闪存和1 KBRAM，很适合采取SMAC软件点到点或星形网络中经济高效专属应用。对于更大规模联网，则能够使用MC13212（含有32 KB内存和2 KBRAM内存）和IEEE 802.15.4 MAC。 另外，MC13213（带有60 KB内存和4 KBRAM）和ZigBee协议堆栈设计用于帮助设计人员开发完全可认证ZigBee产品。MC13213能够提供全方面编码和解码、用于基带MCU可编程时钟、以4 MHz（或更高）频率运行标准4线SPI、外部低噪声放大器和功率放大器（PA）实现功效扩展和可编程输出功率。以上硬件平台全