1 研究背景与意义 (1 2 研究内容 (1 3 ZigBee技术综述 (2 3.1 ZigBee特点 (2 3.2 ZigBee协议栈 (3 3.3 节点类型 (6 3.4 拓扑结构 (6
3.5 地址类型及ZigBee寻址 (7 4 室内环境监测系统设计 (8 4.1 系统架构 (8 4.2 硬件设计 (9 4.3 软件设计 (10 4.4 系统功能定义 (11
5 室内环境监控系统的特点 (12 6 总结 (13 7 参考文献 (13
基于ZigBee技术的室内环境监控系统
1 / 16
1 研究背景与意义
随着人类进入信息时代,计算机技术、通信技术及网络技术都得到了迅猛的发展与提高,人们对居住环境也提出了更高的要求,希望自己能居住在一个生活现代化、居住环境安全化和舒适化的生活空间。与此同时,生活节奏的不断加快,实时掌握大量信息和进行高效工作的需求日益凸显,但是繁重的家务和繁琐的家电操作占用人们大量的时间,这时就需要有一个方便快捷的智能化家居管理平台协助人们处理家居事务,将人们从家务和家电操作中解放出来。在这种需求的驱动下,智能家居的概念也就应运而生。人们希望通过这种技术将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭安防等装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理,保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致,从而满足用户对居住环境的需求。智能家居系统的结构如图1所示:
图1 智能家居系统结构图
由图1可知,室内环境监控系统是智能家居系统中其必不可少的一部分,是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本条件,是给用户提供一个安全、舒适、便
2 / 16
捷的生活环境的重要手段。一个好的室内环境监控系统对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。
2 研究内容
本文以基于ZigBee技术的室内环境监控系统为研究背景,利用ZigBee技术作为支撑平台,将温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感
器等传感器节点采集到的数据信息通过ZigBee 网络汇聚到网络中的网关节点,该网关节点再通过Wifi模块将处理后的数据传送给Android上位机软件,然后用户通过与上位机软件进行交互,通过显示的数据信息反馈控制诸如空调、电灯等电器,可营造一个安全、舒适、温馨的室内氛围。根据以上介绍,本文的研究内容主要包括以下几部分:
1.ZigBee协议介绍。详细介绍了ZigBee 协议中各层的功能及参考模型推荐。 2.ZigBee技术应用。本文通过这些传感器的协同感知打造一个更加人性化的室内环境,实现了温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感器等传感器的集成应用。例如通过温湿度传感器采集的数据反馈控制空调的工作参数,通过光照传感器采集的室内外光照信息,控制窗帘的闭合程度及灯光亮度的PWM调节等等。
3.本室内环境监控系统的整体架构、功能及各模块结构介绍。 4.本室内环境监控系统的硬件与软件设计。 3 ZigBee技术综述 3.1 ZigBee特点
ZigBee是一种短距离、低功耗的无线网络技术,主要由ZigBee联盟制定,其底层是采用IEEE 802.15.4 标准规范的MAC与PHY层。ZigBee 是一个标准,它为低
3 / 16
数据速率、窄带无线网络定义了一系列通信协议。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz这3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:
1.低功耗。由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
2.开发成本低。由于网络协议简单,开发时间成本较低,而且ZigBee 协议免除专利费。同时,各大半导体公司也设计出了适合ZigBee 技术规范的价格低廉的芯片,低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
3.时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。
4.网络容量大。一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。
5.可靠。采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
6.安全。ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
3.2 ZigBee协议栈
ZigBee协议的体系结构如图2所示: ZigBee协议体系结构
4 / 16
图2 ZigBee协议体系结构
ZigBee 协议栈建立在IEEE802.15.4 的PHY 层和MAC子层规范之上,它实现了网络层和应用层。在应用层内提供了应用支持子层和ZigBee设备对象,应用框架中则加入了用户自定义的应用对象ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务:即由数据服务实体提供数据传输服务;管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点为其上层提供一个
接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 下面介绍一下各分层及其参考模型。
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层服务和物理层管理服务。
5 / 16
图3 物理层参考模型
MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接和分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
图4 介质控制子层参考模型
网络层是ZigBee协议栈的核心部分。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
6 / 16
图5 网络层参考模型
ZigBee应用层框架包括应用支持层、ZigBee设备对象和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
ZigBee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色,发起和响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
应用程序框架:运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象。
7 / 16
图6 应用层参考模型 3.3 节点类型
一般一个ZigBee 网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成,如图7所示。
协调器路由器端节点 图7 ZigBee网络示意图
8 / 16
1.协调器
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个通道和一个网络ID(也称之为PAN ID,随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。一旦这些都完成后,协调器的工作就像一个路由器。
2.路由器
路由器的功能主要是允许其他设备加入网络,多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通讯。通常,路由器希望是一直处于活动状态,因此它必须使用主电源供电。但是当使用树型结构网络模式时,允许路由间隔一定的周期操作一次,这样就可以使用电池给其供电。
3.终端设备
终端设备没有特定的维持网络结构的责任,它可以睡眠或者唤醒,因此它可以是一个电池供电设备。通常,终端设备对存储空间的需要比较小。
3.4 拓扑结构
ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层,通常它的网络层支持3种拓扑结构,包括星型结构、网状结构和簇树型结构,如图8所示。
9 / 16
协调器路由器端节点星型网络网状网络树状网络 图8 拓扑结构
星型网络星型网络由一个PAN 协调器和多个终端设备组成,只存在PAN 协调器与终端的通讯,终端设备间的通讯都需通过PAN 协调器的转发。
网状网络网状网络是树状网络基础上实现的,与树状网络不同的是,它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延时,增强了可靠性,缺点是需要更多的存储空间开销。
树状网络树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外,其他只能通过树状路由完成消息传输。
3.5 地址类型及ZigBee寻址
ZigBee设备有两种类型的地址。一种是64位IEEE地址,即MAC地址,另一种是16位网络地址。64位地址是全球唯一的地址,设备将在它的生命周期中一直拥有它。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE来维护和分配。16位网
10 / 16
络地址是当设备加入网络后分配的。它在网络中是唯一的,用来在网络中鉴别设备和发送或接收数据。下面是寻址方式介绍:
1.单点传送
单点传送是标准寻址模式,它将数据包发送给一个已经知道网络地址的网络设备。
2.间接传送
当应用程序不知道数据包的目标设备在哪里的时候,使用该模式。 3.广播传送
当应用程序需要将数据包发送给网络的每一个设备时,使用该模式。 4.组寻址
当应用程序需要将数据包发送给网络上的一组设备时,使用该模式。 4 室内环境监测系统设计 4.1 系统架构
根据室内环境与ZigBee技术的特点,本文设计的基于ZigBee技术的室内环境监控系统主要由多种传感器节点、路由器节点、网关节点与上位机软件组成。其中,网关节点与传感器节点分别充当ZigBee网络中的协调器节点与端节点的角色,上位机软件通过Wifi与网关进行通讯,可以实时了解室内环境的相关参数及进行手动调节。本文设计的室内环境监控系统的结构图如图9所示:
11 / 16
图9监控系统结构图
由上图可知,在本系统中,传感器节点主要负责数据的采集与发送;路由器节点主要负责网络的管理与数据的转发,当检测范围较大时,可通过增加路由器节点扩大网络的覆盖范围;网关节点主要负责网络的建立、节点的管理、数据的处理以及和上位机软件进行通讯。整个ZigBee网络采用树型拓扑结构,传感器节点是整个网络的叶子节点,路由器节点是传感器节点的父节点,而网关节点又是路由器节点的父节点。当监测区域较大时,可以通过增加路由器节点来保证网络的连通性与鲁棒性。上位机软件是整个室内监控系统的中枢,实现对室内环境的集中控制与管理。
4.2 硬件设计
本系统的硬件主要由网关节点、路由器节点以及各种传感器节点构成,实现对数据的采集、处理和无线信号的收发。
1.网关节点
12 / 16
网关节点在ZigBee网络中充当协调器节点的角色,主要负责ZigBee网络的建立,节点的管理等任务。在本系统中,它还要对接收的数据进行处理,以及通过Wifi与上位机软件进行通信。本系统的网关节点采用嵌入式ARM 网关Coetex-A8,其具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点,其硬件结构如图10所示:
图10 网关节点硬件结构图
其中,网关节点的射频天线模块用来接收和发送电磁波信号,LCD显示模块用来显示网络状况、显示接收到的数据与指令信息,同时可配合按键模块进行菜单界面的显示,无线通信模块用来与上位机软件进行通信。
2.路由器节点
路由器节点的主要功能是实现数据的收发。该节点在使用时,可以自由放置,主要靠电池给其供电。它主要由电源模块、时钟模块、CC2530、射频天线模块和LED显示模块组成,其硬件结构如图11所示:
13 / 16
图11 路由器节点硬件结构图
其中，路由器节点的射频天线模块用来接收和发送电磁波信号，LED 显示模块 用来表示节点的工作状态。 3.传感器节点 传感器节点在 ZigBee 网络中充当端节点的角色，主要功能是完成数据的采集 与发送。其硬件主要由电源模块、时钟模块、电源管理模块、CC2530、射频天线模 块、LED 显示模块、信号调理模块、传感器模块组成，其结构图如图 12 所示： 时钟 电源 CC2530 射频天线 模块 LED显示模块 电源管理 模块 信号调理 模块 数据采集 部分 传感器模块 图 12 传感器节点硬件结构图 其中，传感器节点的射频天线模块用来接收和发送电磁波信号，LD 显示模块 用来表示节点的工作状态，电源管理模块为传感器模块和信号调理模块提供工作电 压，为了降低节点的功耗，在不采集数据时，通过对工作电压开关的控制保证数据 采集部分的功耗为零。数据采集部分由传感器模块和信号调理模块组成，信号调理 模块主要包括 A/D 转换、放大、滤波等，实现对物理信号的采集、信号的转化、处 理，提高信号的精确度。 4.3 软件设计 上位机软件主要用来提供与用户交互的界面，主要包括室内环境参数的显示及 控制界面，其结构图如图 13 所示： 10
图 13 上位机软件结构图 4.4 系统功能定义 基于 ZigBee 技术的室内环境监控系统的功能及各模块的介绍如下: 1．上位机软件：实时的显示室内环境参数，并且用户可通过上位机软件与网 关节点进行通信实现对环境参数的调节与控制， 如， 显示室内外光照的对比度信息， 调节灯光亮度。 2．网关节点：负责组建 ZigBee 网络，发送与接收数据信息与控制命令，同时 实现与上位机软件的通信。 3．路由器节点：实现数据包的路由与转发，扩大网络覆盖范围。 4．传感器节点：实现对环境信息的采集，并通过 ZigBee 网络发送环境数据到 网关节点。该节点既可以在用户的指令下采集数据，也可以在指定的周期内自动采 集环境数据。 为了实现对室内环境信息得全面监测与控制，给用户提供一个良好的生活环境， 本文设计的环境监控系统主要涉及以下参数： 1．温湿度 温湿度是人体对周围环境最敏感的要素之一。温湿度传感器节点在用户的设置 下自动采集室内外的温湿度信息，并将采集到的信息发送到网关节点。网关节点首 先对接收的数据进行处理，然后通过
14 / 16
Wifi 传送到上位机软件上。用户通过对比采集 的室内外温湿度信息及空调设备此时的工作参数，然后根据平时的生活习惯通过上 位机软件调节空调的工作参数，实现对室内温湿度的控制。在房间内可以均匀地放 置多个温湿度传感器节点，窗户外也放置一个或多个温湿度传感器节点，通过多点 采集温湿度信息，提高采集的温湿度数据的精度。 2．亮度 室内的光照控制分为自然光控制与照明光控制两种。在白天，分布在室内与窗 户外的光照传感器节点，可以采集室内外的光照强度信息，并将采集到的数据传到 网关节点，网关节点进行处理后再传送给上位机软件，用户根据显示的光照对比度 等信息可通过上位机软件发送命令来调节窗帘的闭合程度，以提供一个良好的自然 11
光环境。在晚上，室内的光照传感器感应光照强弱，并将信息反馈给上位机软件， 用户通过上位机软件可实现对灯光的 PWM 调节，保证房间内有合适的照明光线。 3．雨滴 窗户外的雨滴传感器节点在下雨时可以采集雨滴信息，并将数据传送给网关节 点，网关节点进行处理后再传给上位机软件，用户根据此信息可自动控制窗户的开 闭。 4．火灾 火灾情况监测也是室内环境监控系统必不可少的一部分。布置在室内的火灾传 感器节点将实时监测室内的火宅信息情况。一旦监测到火灾信息，就发送报警信息 到上位机软件，通知启动蜂鸣器报警，用户根据此信息可通过上位机软件控制室内 的洒水灭火系统进行工作。 5．灯的开闭 在灯的控制电路上加上人体感应传感器，在感应到有人时灯自动打开，在没人 时灯自动关闭，通过人体感应传感器实现灯的自动开闭，避免了手工操作的麻烦。 5 室内环境监控系统的特点 室内环境监控系统为用户提供全面、可靠的环境信息，进而提供一个安逸舒适 的环境。为了实现室内环境监控的全面性、精确性与方便性，本室内环境监控系统 具有如下特点: 1．多对象监控 为了提供全面的室内环境信息，本室内环境监控系统对多个室内环境因素进行 监测，如:温湿度、光线强度、火灾信息等。 2．多点监控 由于室内环境中的被测对象在时间和空间上具有分布不均匀性，同一对象在不 同时间和不同地点具有不同的属性值。为了实现监控的全面性和精度性，本系统对 同一对象进行多点监控。 3．系统灵活、鲁棒性强 本监控系统具有良好的灵活性与鲁棒性，能很方便地增加或减少监控对象或者 监控点，当某个节点发生故障时也不会影响整个系统的工作。 4．节点功耗低 本系统通过对工
15 / 16
作电压开关的控制，当传感器节点不工作时，能保证数据采集 部分的功耗为零。 5．监控系统简单易操作 本监控系统的用户操作界面友好，用户可以直观、方便、轻松地实现对环境的 12
监控操作。 6 总结 本文以 ZigBee 技术作为理论支撑平台，采用基于模块化的思想，以 Coetex-A8 作为嵌入式 ARM 网关节点， 以 CC2530 芯片作为路由器节点与传感器节点的核心， 设计并完成了整个室内环境监控系，主要工作及总结如下： 1．首先对智能家居领域做了介绍，并对其发展现状与趋势做了分析。根据目 前市场对智能家居室内环境监控的需求，选择 ZigBee 无线网络技术作为智能家居 环境监控系统的解决方案； 2．以 ZigBee 无线网络技术作为理论支撑平台，对其协议架构和各层主要功 能做了说明与介绍； 3．根据智能家居环境监控系统的需求以及对 ZigBee 无线网络技术的了解， 设计了本系统 de 整体架构，并对系统的软硬件平台作了说明； 4．根据本系统的需求以及 ZigBee 技术的应用现状，本文选择了 CC2530 作 为系统的微处理器与射频收发芯片，然后以此芯片为核心给出了路由器节点与传感 器节点的模块构成，根据监控对象的不同，选择了适合的传感器； 5． 本文设计了基于 Android 平台的上位机软件， 并给出了上位机软件的模块结 构图，通过上位机软件与网关节点之间的信息传输，可以直观地了解室内环境的各 参数信息及对诸如空调、电灯等的反馈控制。 7 参考文献 [1]许毅.无线传感器网络原理及方法[M].清华大学出版社 2012 [2]周游，方滨，王普.基于 ZigBee 技术的智能家居无线网络系统[J].自动化与仪器仪 表，2005(9:37-40 [3]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010，9:16-20 [4]张亮.基于 ZigBee 技术的智能家居环境监测系统[D].武汉：武汉科技大学，2009 [5]杨雷.基于 ZigBee 的智能家居监测控制系统的设计[D].北京： 北京交通大学， 2012 [6]俞张辉.基于 ZigBee 的智能家居控制系统研究[D].上海：上海师范大学，2012 13
16 / 16
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容