无线通信方向的室内环境检测系统设计样本.doc

基于ZigBee技术室内环境检测系统设计

摘 要
随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术飞速发展，无线传感网被广泛应用于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域，已成为电子信息技术发展一种热点。CC2530是TI公司针对ZigBee无线传感网芯片解决方案，具备功耗低，可靠性高，组网简朴等优势。基于CC2530和ZigBee合同，设计了温湿度数据采集系统，分别给出了协调器和普通节点软件算法，在干扰环境下测试表白，网络具备较强鲁棒性和自组能力。
本文重要简介基于STC12C5608AD单片机为核心家庭环境监测系统硬件电路设计和软件流程设计，实现了在家庭环境中对温度、湿度、灯光及家用电能质量检测，其中分别用相应传感器、电流互感器、电压互感器。其中，将温度、湿度、灯光传感器模仿量通过单片机AD转换解决后输出相应控制动作调节相应参数；电能质量检测，将互感器与电能质量及单相双向功率集成电路芯片CS5460A结合检测电压、电流、功率等检测，经单片机输出相应保护控制:瞬时过电流保护，过载保护、过电压保护、失压保护等。本设计使用ZigBee无线网络合同，将系统参数传播及控制，也可与上位机实时通讯和监控。

核心词：单片机，传感器，ZigBee，环境监测，继电保护

Design of Indoor Environment Monitoring System Based on ZigBee Technology

ABSTRACT
With the rapid development of embedded computing，sensor，wireless communication technology，wireless sensor network is widely used in environmental monitoring，military defense，industrial and agricultural control fields，has become a hotspot in the development of electronic information technology. CC2530 is a wireless sensor network chip for ZigBee TI solution，with low power consumption，high reliability，simple networking advantages. CC2530 and based on ZigBee protocol，design the temperature and humidity data acquisition system，the software algorithm coordinator and ordinary nodes are given respectively，tested in interference environment，the network has strong robustness and self-organizing ability.
This paper mainly introduces the design of hardware circuit and software flow design of family environment monitoring system based on STC12C5608AD SCM as the core，realizes in the home environment of temperature，humidity，lighting and household electrical energy quality detection，which were treated with corresponding sensors，current transformer，voltage transformer. Among them，the analog temperature，humidity，light sensor through the SCM AD conversion processing output control action corresponding adjusting the corresponding parameters；detection of power quality，the transformer and power quality and single phase bidirectional power integrated circuit chip CS5460A combined detection of voltage，current，power detection，SCM outputs corresponding protection control：instantaneous over current protection，overload protection，over-voltage protection，under-voltage protection etc.. This design uses ZigBee wireless network protocol，the system parameters of transmission and control，is also available with a PC real-time communication and monitoring.

Keywords： Microcontroller，Sensor，ZigBee，Environmental Monitoring，

目 录
第1章 绪 论 1
1.1 本文研究背景与意义 1
1.2 智能家居环境监测系统特点 1
1.3 国内外发呈现状及分析 2
1.4 典型无线网络技术简介 3
1.4.1 ZigBee技术 3
1.4.2 Wi-Fi技术 3
1.4.3蓝牙技术 3
1.5 本文重要研究内容及创新 4
1.5.1本文重要研究内容 4
1.5.2本文重要研究创新点 4
第2章 ZigBee技术综述 5
2.1 ZigBee技术简介 5
2.2 ZigBee合同分析 7
第3章 家居环境监测系统方案 8
3.1 系统构造 8
3.2 系统功能定义 8
3.3 系统设计规定 10
第4章 家居环境监测系统硬件设计 11
4.1 系统电源电路 11
4.2 STC12C5608AD单片机 12
4.3 家居环境参数采集模块 13
4.3.1 数字温湿度传感器DHT11 13
4.3.2 烟雾传感器MQ-2 14
4.3.3 光照强度传感器 14
4.3.4 电压电流检测及保护 15
4.4 RS485通讯模块 16
4.5 LCD液晶显示模块 17
第5章 系统软件设计 18
5.1 ZigBee无线通讯合同 18
5.2 温湿度传感器程序 18
5.3 烟雾传感器程序 19
5.4 电压电流检测及程序 20
第6章 系统性能测试与评述 21
6.1 硬件测试 21
6.2 软件测试 21
总 结 22
致 谢 23
参照文献 24
附 录 25
附件A 系统原理图 25
附件B 系统程序 26

第1章 绪 论
1.1 本文研究背景与意义
千百年来，人类都在关注着自身生活和居住条件，并努力改进和提高之。随着工业革命和信息技术革命成功，进入21世纪后，人类各种技术涉及通信技术、计算机网络、控制理论、互联网等均有了很大发展，此外，经济发展也使咱们都但愿居住在一种舒服家居环境中，只有这样咱们生活才会更好，身体才会健康。由于人们又了这种想法，由此智能家居系统也就越来越多被人们所注重了。研究人员但愿能通过这种新技术将家居中各种智能化设备、家用电器和家庭安防设备等整合一种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人们舒服居住使用规定，营造一种良好环境，从而可使顾客可以居住在一种更高规定环境中。
本文研究设计了一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境实时监测，实时为顾客提供可靠并且全面环境信息。智能家居系统中一种非常重要某些就是本文所研究环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体浓度、光照强度、火灾信息等。同步，此系统中传感器所得到环境参数可觉得其他家居设备做决策参照，最后由智能家居系统实现对家庭环境智能调节，例如，当测量到光照强度高于顾客设定一定值时候，系统就将启动自动窗帘系统马达，自动将窗帘关到一定限度，以减少室内光强度，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。因而，智能家居系统为顾客提供了安全、舒服、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种非常重要核心某些与基本环节，能否拥有一种好智能家居系统核心在于能否设计出好环境监测子系统，这对改进人们生活环境舒服度有非常重要意义。
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面、可靠环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测精准性、全面性并且以便使用，本文环境监测系统应具备如下各种特点：
(1)多对象监测，环境监测系统需要检测各种环境信息，如：温湿度、有害气体浓度、光照强度等。这样才干为顾客提供全面环境信息参照。
(2)多点监测，需要对同一环境参数在不同地点和不同步间分别进行测量，这是由于环境中各种环境信息不同步间和空间上分布不具备均匀性，由此实现监测全面性和高精度性，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，当有新环境参数被规定测量时，系统可扩展性规定灵活，以便增长节点，以减少成本[1]。
1.3 国内外发呈现状及分析
随着经济发展和咱们生活质量提高，智能家居智能化规定也是愈来愈高，智能家居亦成了近几年来学者们一种研究热点。既有智能家居产品大某些是以有线网络作为家庭内部网络，有线网络布线麻烦，终端节点数量多而需要数量庞大电缆，而无线通讯技术能较好解决以上问题。国际上家庭智能化系统已经形成集中以有线为基本原则，涉及有：美国X—10 CEBus、欧洲EIB、日本HBS等。
当前，国内这些智能家居系统还处在萌芽阶段。近些年来，在各个大公司和媒体大力宣传下，国内家居环境监测行业开始起步，已有某些前瞻性很强公司在从事此类系统开发。此外，国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主智能家居系统，类似系统在家居环境监测中均可以实现各种功能。虽然当前各种有线技术亦可以对环境信息进行监测与解决，让各种监测设备之间进行连接通信。但当采用有线技术方案时，依照智能家居环境监测系统特点，它存在某些缺陷，如下面几项所示。
(1)系统布线麻烦。采用有线技术时，对各个监测点分别进行布线将是一份复杂庞大工作，特别是当系统监测对象数量较多时更是如此，又容易破坏家庭之前装修完整性；
(2)安装与维护成本高。在安装系统时，需要安装大量线缆，家居装修建材等，特别是当顾客要需要增长节点以增长系统功能时，更是要重新对其进行布线。
(3)系统可扩展性差。增长或减少新监测对象必将规定系统具备良好软件与硬件扩展性。硬件可扩展性是有线技术方案重要技术难点之一[2]。
(4)移动性较差。由于有线束缚和影响，其美观性较无线系统差，不利于家居后续装修。
1.4典型无线网络技术简介
1.4.1 ZigBee技术
ZigBee 技术重要用于低数据传播速率并且传播距离规定不是很远各种通信设备之间[3]。ZigBee名字重要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状舞蹈来传递所发现食物位置、距离和方向等信息，一只一只传递下去，此种技术与蜜蜂这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于成立，而在下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为ZigBee新一代无线通信原则。而在作为中华人民共和国通信行业龙头华为公司亦加入了此联盟。
1.4.2 Wi-Fi技术
Wi-Fi，是由一种名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA）组织所发布业界术语，中文翻译为“无线相容认证”。 Wi-Fi或802.11G在2.4Ghz频段工作，所支持速度达54Mbps（802.11n工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，理论最高速度600Mbps)。但随着技术进步，其速度在当前看来较慢，现逐渐退出市场主流。热点是通过将访问节点安装在互联网连接上来创立。这个访问节点通过无线信号将信息传到互联网上，普通覆盖到200米以内。虽然Wi-Fi有覆盖范畴较广等特点，但是其基带合同和射频合同比较复杂，实现成本较高，并且其功耗比较大，主线上满足不了电池供电规定。
1.4.3蓝牙技术
爱立信公司制定了初始蓝牙技术，此技术一开始是爱立信公司在1994年一种研究移动电话和其她配件期间进行低功耗、低成本无线通信连接办法方案。1999年正式发布蓝牙1.0版，拟定了使用频段，最高数据传播速度达 ，和红外技术相比，蓝牙有着较高传播速率，并且不需要像红外线那样进行口对口连接才干传播数据，所有蓝牙终端基本上只要在有效范畴内使用，就随时可以进行连接受发数据。
1.5 本文重要研究内容及创新
1.5.1 本文重要研究内容
随着国内经济和科技迅猛发展，人们生活水准越来提高，寻常家居环境更受到了人们关注。近年来随着家庭装修时工业板材及其她有毒气体释放源使用，室内环境不容乐观。这就规定有各种有害气体监测功能家居环境监测系统介入，为咱们营造一种安全健康家居环境。
(1)ZigBee合同简介。重要简介了ZigBee合同中各个某些构成和数据构造，并对各层中重点内容进行了详细分析；
(2)本文以无线传感网络为基本，以ZigBee技术纽带，详细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天线等重要电路设计；而在传感器节点中，由于其与协调器类似，故仅针对不同环境信息，设计出了不同传感模块；
(3)本论文还设计了串口调试操作界面，可以以便顾客调试和使用，由此顾客就可以实时理解到家庭中个中环境信息参数。
1.5.2本文重要研究创新点
本文运用ZigBee技术，以实现无线系统组网，可觉得家居环境提供多地点、多对象监测，由于ZigBee技术自组网性，在增长或减少监测终端时系统灵活性较大。同步此系统还省去了繁琐有线系统布线对家居美观性损害。终端通过显示屏及数据上传到智能家居系统可以实时显示并控制空气净化器等为家居环境，实现健康家居。

第2章 ZigBee技术综述
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4原则低功耗个域网合同，依照此合同规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂一种名叫ZigBee舞蹈，由于通过持续不断地跳这种舞蹈来实现对新发现食物或其她信息传递，换句话说蜜蜂是依托这样通信方式来实现了一种通信网络，而每个个体则是网络中一种节点。这样做好处是不需要专门通信蜜蜂，通过信息接力就完毕了整个通信，从而实现了蜜蜂低成本、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等信息传递方式。受蜜蜂这种特殊通信方式启发，ZigBee技术研究也重要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低成本地嵌入各种设备中构成庞大网络。综上所述ZigBee技术就是一种低功耗，低成本无线网络通信技术。
2.1 ZigBee技术简介
ZigBee 技术重要用于低数据传播速率并且传播距离规定不是很远各种通信设备之间。ZigBee名字重要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状舞蹈来传递所发现食物位置、距离和方向等信息，一只一只传递下去，此种技术与蜜蜂这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于成立，而在下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”新一代无线通信原则，而在作为中华人民共和国通信行业龙头华为公司亦加入了此联盟。截至当前，该联盟大概已有约27家成员公司，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee合同物理层和媒体控制层技术原则 工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上合同。ZigBee合同则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简朴而实用。ZigBee使用是 波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee合同比蓝牙更简朴、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee基本速率是，传播半径可扩大到400米，并可得到更低功耗和更高可靠性。此外，单个ZigBee无线模块就可与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。由于它低延迟和低功耗性能优越性，因此在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更但愿能在无线玩具、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。
ZigBee网络采用是无线自组织网络技术，与蜜蜂通信类似，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合同为基本进行通信，与各种老式无线网络相比，其重要长处有如下几种方面。
(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状况下自己组网并实现数据传播任务，当添加或去除网络中某个节点时，别的节点可以自行寻找其她节点代替中转信息，具备较强网络自愈能力；
(2)成本低。由于ZigBee联盟已有二十多家，她们研发实力都很强，好多公司均已在正式推出自己ZigBee芯片，竞争较大，近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。
(3)功耗低。它超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年时间，这也是ZigBee最大一种优势；
(4)网络容量大。每个ZigBee设备可以与此外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65000各种节点网络；
(5) 数据传播速率低。只有10kb/s—250kb/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，可以直接使用；
(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到30ms；
依照ZigBee联盟所设定技术原则，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。她们功能分别如下。
（1）ZigBee协调器：它是个全功能设备，包括所有网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂一种，特点是计算能力强、存储量大。它作用是发送网络信标、建立并且管理一种网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接受下级节点所发来信息。
（2）ZigBee路由器：它也是全功能设备在加入网络后，协调器就会分派给它一定量十六位地址空间，再由其分别分派给下级节点使用，以便每个节点接入或离开网络，具备数据转发及路由之功能。
（3）ZigBee终端设备：其普通简化功能设备。只能自己与上一级如协调器或路由器之间通信，涉及获取网络地址等。在ZigBee合同规范中，组网时有三种网络拓扑构造可供选取：星型构造，网状构造和簇树型构造，图2.1所示。

图2.1 ZigBee网络拓扑构造图
在星状构造中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，在ZigBee协调器则负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络构造中，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,只但是在簇状构造中终端间信息互换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。
2.2 ZigBee合同分析
ZigBee联盟在IEEE802.15.4合同基本之上，规定了ZigBee合同网络层与应用层合同规范。下面就网络层与应用层作简要简介。
ZigBee网络层重要功能就是保证正常工作，同步定义了某些必要函数，并且为应用层提供适合服务接口。网络层提供了两个必要功能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。
应用层重要由顾客依照详细应用进行自我开发，用以维持节点各种功能，发现此节点工作空间范畴内其她节点工作，再依照服务需求为各个不同节点提供通信服务。ZigBee应用层有三个不同某些分别是：应用支持子层、ZigBee设备对象和制造商定义应用对象。
第3章 家居环境监测系统方案
本文家居环境监测系统，通过对传感器技术、无线网络技术和计算机等技术综合运用，得以实现对家庭环境实时监测，从而间接地为顾客创造一种健康，适当居，舒服家居环境。
3.1 系统构造
本论文是基于ZigBee技术无线传感器网络环境监测系统，故依照ZigBee技术原则和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和PC构成该系统。其中，传感器节点通过无线技 术与协调器进行信息互换；协调器则通过串口 进行相连通信。本文设计系统构造如图3.1所示。

图3.1 系统构造图
本系统中传感器节点重要负责是环境信息采集与发送，协调器节点重要负责是网络建立、终端节点管理、数据解决和对PC端数据通信。固然在实践过程中可以依照家庭居住环境大小和所需监测内容，来增长或减少传感器节点，而只需做小许改动即可[4]。当监测区域较大时，可用增长传感器节点办法来保证网络连通性，相反区域较小时可以依照状况减少路由器节点设立以节约系统资源，减少成本。在本设计实践环节，本人只象征性做了一种传感器节点进行实验演示。
3.2 系统功能定义
本文设计环境监测系统重要检测家庭环境中如下某些环境参数以实现对环境信息全面监测，从而为顾客精确决策提供参照。下面对各种参数进行如下简介。
（1）温度湿度
人体对温度变化甚为敏感，在环境温度高于35摄氏度后，每增长一度对人体负面影响都是几何级增长，故此系统中最重要亦是最基本就是环境中温度采集。温度传感器可以在顾客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解决，再由协调器将解决成果数据通过串口发送到PC，此时，PC可按之前顾客设立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，固然这些是后续控制，不在本文讨论范畴内。家庭中每个房间可以多放几种这样类似节点，可实当前同一种房间进行多点温度信息采集，以提高温度测量精确度。
（2）湿度
人类对湿度虽然不是特别敏感，但其时时刻刻亦影响着人们健康，特别是老年与小朋友。当前人们经常是通过普通加湿器来调节室内湿度，此类加湿器普通只是手动操作，这样就存在着人为主观不拟定性，最后也有也许不利于环境之改进。而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息采集，再经由PC解决后，对加湿器进行控制，即可达到科学明了地控制室内湿度。
（3）烟雾
燃气重要导致烟雾源，当燃气发生泄漏时，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某些。当系统检测到烟雾浓度不不大于顾客设定是初值时，PC会及时发送报警信号到报警装置或者是家庭成员手机或直接报警，PC在启动报警装置同步，或可以自动控制开窗，以达到室内空气流通效果，保证家庭成员安全。
（4）灯光
灯光亮度监测可以运用分布在各个房间里光敏传感器来实现。光敏传感器可以将感知光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传播到PC，通过解决和判断光线强度控制窗帘开关或灯开关。当光线过强时，可以控制窗帘自动合起，反之则可以控制其打开或电灯打开。
（5）电能质量
电能质量重要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，涉及电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。因此居民住房电能质量检测有很大必要，本文使用电压电流互感器通过CS5460A芯片解决数据，由单片机能出，交流电电压、电流、功率、频率等。
3.3 系统设计规定
本系统是在家庭环境中实现各种功能，依照此特点，可以总结出如下几种规定。分别从软硬件两个方面来得以实现。
（1）低功耗：由于是无线传感网络，节点诸多，故只能由电池供电，故规定低功耗以延长使用，减少电池更换次数。
（2）安全性：本系统为家居环境控制系统做前期数据采集，若浮现错误，则可导致PC判断错误，导致错误控制。如：未发生一氧化碳泄露即报警等。故规定系统安全性
（3）外观：由于要安装在家庭各个地点，故规定其尽量小巧，美观。
（4）可扩展：能依照顾客不同需求，随时增长或减少节点设立[5]。
软件方面规定程序模块化设计，可以使系统升级以便以备增长节点时修改其中一种模块而其她地方无需改动；程序设计要简朴，数据传播格式要统一。

第4章 家居环境监测系统硬件设计
在ZigBee传感器网络中，传感器节点兼顾老式网络节点终端和路由器双重功能，在采集、接受、解决及发送数据进同步，还要对其她节点转发来数据进行存储、管理和融合等解决，并与其她节点协作完毕某些特定任务。依照系统需要，传感器节点应具备如下功能。
(1)传感器信号采集和解决；
(2)无线数据发送或转发；
(3)液晶显示和键盘输入；
(4)RS485通讯功能。
无线传感器网络节点普通由传感器模块、微解决器模块、无线通信模块和电源模块构成[4]。微解决器和无线通信模块采用支持ZigBee合同，大大简化了射频电路设计。传感器模块采用集成温湿度传感器DHT11、MQ-2型气体传感器、光照强度传感器用光敏电阻和电能质量检测用电压电流互感器和CS5460A芯片，电源采用交流220V变压整流直流5V供电。硬件系统构造框图如图4.1所示。

图4.1 硬件系统构造框图
4.1系统电源电路
电源管理是对电源电压调节和分派，为其她各模块提供可靠和正常工作电压。电源模块相称于房屋基石，因此高性能电源管理模块对于整个控制系统稳定运营实至关重要。电源模块为控制单元、传感器、控制输出（电机、继电器）等模块提供可靠且不同工作压。在设计过程中，不但要考虑电压和电流大小等基本参数并且要考虑电源使用效率、减少噪声、复杂限度和干扰等方面优化[6]。如下图4.2 5V电源电路，家电交流220V通过变压、整流、滤波、稳压[7]。

图4.2 5V电源电路
4.2 STC12C5608AD单片机
本系统采用STC12C5620AD系列单片机，它是STC生产单时钟/机器周期(1T)单片机[8]，是高速低功耗超抗干扰8051单片机，指令代码完全兼容老式8051，但速度快8-12倍。4路PWM，8路高速10位A/D高精度转换。共6个16位定期器，其中两个与老式8051兼容定期器/计数器,16位定期器T0和T1，没有定期器T2，PCA模块可再实现4个16位定期器。SPI同步通信口，主模式/从模式同步通信口[9]。
单片机最小系统设计涉及外围模块有：复位电路，振荡电路[10] 。最小系统电路图如4.3下图所示。

图4.3 单片机最小系统电路
4.3 家居环境参数采集模块
4.3.1 数字温湿度传感器DHT11
DHT11数字温湿度传感器是一款具有已校准数字信号输出温湿度复合传感器。它应用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品具备极高可靠性与卓越长期稳定性。传感器涉及一种电阻式感湿元件和一种NTC测温元件，并与一种高性能8位单片机相连接[11]。因而该产品具备品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等长处。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小体积、极低功耗，信号传播距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻应用场合最佳选则。连接以便，数字温湿度传感器电路图4.4如下所示

图4.4 数字温湿度传感器电路图
4.3.2 烟雾传感器MQ-2
本次设计烟雾传感器用MQ-2。MQ-2气体传感器所使用气敏材料是在清洁空气中电导率较低二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器电导率随空气中可燃气体浓度增长而增大。使用简朴电路即可将电导率变化转换为与该气体浓度相相应输出信号[11]。
该传感器需要施加二个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联负载电阻（RL）上电压（VRL）。这种传感器具备轻微极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能规定前提下，VC和VH可以共用同一种电源电路VCC。为更好运用传感器性能，需要调节可调电阻Rp恰当RL值。其烟雾传感器电路如图4.5所示。当检测到烟雾控制器输出报警，蜂鸣器报警电路如图4.6所示。

图4.5 烟雾传感器电路 图4.6 蜂鸣器报警电路
4.3.3 光照强度传感器
本光照电路是应用光敏电阻特性而设计形成，依照光敏电阻工作原理，当有光照是光敏电阻阻值会随着光强度增长而减小。把光敏电阻采样得到电压值通过LM358进行电压放大，然后进行滤波后送到单片机进行解决。光敏电阻伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端电压与电流之间关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定光照度下，所加电压越大，光电流越大，并且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，由于任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流限制，超过最高工作电压和最大额定电流，也许导致光敏电阻永久性损坏[12]。当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要通过一段时间才干达到稳定值，而在停止光照后，光照电压也不立即为零，这就是光敏电阻时延特性。由于不同材料光敏电阻时延特性不同，因此它们频率特性也不同。光照传感器电路如图4.7所示。

图4.7 光敏电阻传感器电路
4.3.4 电压电流检测及保护
供电系统不断发展和安全稳定运营给国民经济和社会发展带来巨大动力和效益。供电系统一旦发生自然或人为故障，不能及时得到控制，将会使系统失去稳定性，导致主设备损坏、电网崩溃，导致大面积停电，给系统及社会带来严重后果。因而，如何保证供电系统安全稳定运营就成为了一种永恒主题。 使用微机监测系统来输出相应保护控制，即微机保护。
本系统电流电压检测同样使用电压电流互感器，不同是，经互感器后由单相双向功率集成电路芯片CS5460A解决数据，而后又单片机读取数值，CS5460A还可以由软件读取交流电频率和电压电流相位差等。电压电流检测电路如下图4.8所示。

图4.8 电压电流检测电路
由单片机检测电压电流参数与该供电系统参数整定后，可以输出瞬时过电流保护，过载保护、过电压保护、失压保护等控制，这些控制功能由光电隔离器件及有触点中间继电器等构成，以完毕各种保护出口跳闸、信号警报、外部触点输入、人机对话及通讯等功能。由电压电流相位差可以计算出功率因数，进一步做功率因数校正控制，若功率因数较低可以控制接通并联电容器组。
4.4 RS485通讯模块
控制器通过RS485与上位机通信。 串口芯片选取ISL81487，ISL81487配备专有低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，体现出真正RS485合同器件性能，这些器件电路简朴，通讯精确稳定。电路如图4.9下所示。

图4.9 RS485通讯电路
4.5 LCD液晶显示模块
带中文字库128x64是一种具备4位/8位并行、2线或3线串行各种接口方式，内部具有国标一级、二级简体中文字库点阵图形液晶显示模块；其显示辨别率为128×64,可以显示8×4行16x16点阵中文. 也可完毕图形显示.低电压低功耗是其又一明显特点。由该模块构成液晶显示方案与同类型图形点阵液晶显示模块相比，无论硬件电路构造或显示程序都要简洁得多，且该模块价格也略低于相似点阵图形液晶模块。液晶屏各引脚阐明如下表4.1所示。液晶显示接线如下图4.10所示。
表4.1 液晶屏各引脚阐明表
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
GND
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0

对比度（亮度）调节
4
D/I
H/L
D/I =“H”,表达DB7——DB0为显示数据
D/I =“L”,表达DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”，DB7——DB0数据被写
6
E
H/L
使能信号
7---14
D0---- D7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H：8位或4位并口方式，L：串口方式
16
NC
-
空脚
17
RET
H/L
复位端，低电平有效
18
NC
-
LCD驱动电压输出端
19
LED1
VDD
背光源正端（+5V）
20
LED2
VSS
背光源负端

图4.10 液晶显示接线图

第5章 系统软件设计
5.1 ZigBee无线通讯合同
终端节点软件重要实现如下功能：
(1)数据采集功能：采集各个传感器输出信号并进行数据分析存储。
(2)数据显示功能：可以在LCD上将采集解决后传感器数据实时显示。每个不同类型传感器构成一种单独节点，液晶显示当前环境下温度(℃)、湿度(％RH)和烟雾强弱。
(3)数据传播功能：采用原则MODBUS合同通过上位机修改系统参数。
(4)与无线模块通讯：单片机将要发送数据以特定波特率通过串口送到无线模块发送[12]。
ZigBee无线通讯合同程序流程图如图5.1所示。

图5.1 ZigBee无线通讯合同程序流程
5.2温湿度传感器程序
温湿度传感器详细测量办法已在4.3.1已经简介了，在这里给出温湿度传感器采集信号程序如下。
uint ADC0 ()
{
uint i,test,adval;
adval=0;
test=0;
ADCCS=0；
_nop_()；
ADCCLK=1；
_nop_()；
DI=1；
ADCCLK=0；
_nop_()；
ADCCLK=1；
_nop_()；
if(CH==0)
{
DI=1；
ADCCLK=0；
_nop_();
ADCCLK=1 ；
_nop_()；
DI=0；
ADCCLK=0；
_nop_();
ADCCLK=1；
_nop_()；
}
}
5.3 烟雾传感器程序
本论文中，对于烟雾传感器重要解决问题是检测烟雾传感器烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化解决，浓度强弱显示。
由于MQ-2型烟雾传感器在不通电存储一段时间后，再次通电时，传感器不能及时正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。其主程序流程图为5.2所示。

图5.2 烟雾传感器流程图
5.4电压电流检测及程序
单相双向功率集成电路芯片CS5460A解决数据程序要如下环节。
1) 复位 CS5460A，对 CS5460A 复位脚发复位脉冲，脉宽不少于 10MS。
2) 写同步控制命令字；
3) 从外部存储器读本来保存校准值，并将读出值写入相应校准寄存器；
4) 写控制寄存器，设立各寄存器参数；
5) 清状态寄存器；
6) 读取交流电压电流频率等参数寄存器。
使用C语言书写程序如下附件2。