基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)

天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計選題審批表天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計選題審批表 屆：2016 學(xué)院：自動化 專業(yè)：自動化 2015 年 11 月 15 日 學(xué)生姓名劉武斌學(xué)號 20120522 指導(dǎo)教師佟吉鋼職稱講師 所選題目基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng) 題目來源 科學(xué)技術(shù) 選題理由（選題意義、擬解決的問題、對專業(yè)知識的綜合訓(xùn)練情況等，不少于不少于 200200 字字）： 1 選題意義：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢可以是感知和檢查外部世 界的傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位 置可以隨意更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接，因而擁有廣闊的應(yīng)用前景。 本課題設(shè)計基于無線傳感器的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)，目的實現(xiàn)對家居空氣質(zhì)量 多點實時監(jiān)測的功能。 2 擬解決的問題：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各檢測節(jié)點（如溫濕度傳感器 DHT11、煙霧傳感器 MQ2 等）的檢測原理； （2）無線傳感器網(wǎng)路中協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的組網(wǎng)及調(diào)試； （3）主控機 LCD 液晶屏的顯示； （4）對 zigbee 協(xié)議棧的分析及應(yīng)用； 3 對專業(yè)知識的綜合訓(xùn)練情況：本課題主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研 究。系統(tǒng)在單片機上運行 zigbee 協(xié)議棧以解決各個節(jié)點之間的通信問題。其中有：學(xué)習(xí)使 用 zigbee 協(xié)議棧的原理，仿真器的調(diào)試，串口調(diào)試，以及 IAR Embedded Workbench，proteus，zigbee Sensor Monitor 軟件的使用等。 簽字： 年 月 日 指導(dǎo)教師意見教研室主任意見教學(xué)院長意見 簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 注：（1）“選題理由”由擬題人填寫。 （2）本表一式二份，一份學(xué)院留存，一份發(fā)給學(xué)生，最后裝訂在畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）中。 天津理工大學(xué)教務(wù)處制表 天天 津津 理理 工工 大大 學(xué)學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 題目：基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)題目：基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 劉武斌劉武斌 屆屆 2016 學(xué)院（系）學(xué)院（系） 自動化自動化 專業(yè)專業(yè) 自動化自動化 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 佟吉鋼佟吉鋼 職稱職稱 講師講師 下達(dá)任務(wù)日期下達(dá)任務(wù)日期 2015 年年 11 月月 05 日日 天津理工大學(xué)教務(wù)處制 一、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容及要求 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容：畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢可以是感知和檢查外部世界的傳感器， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨意更改， 還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接，因而擁有廣闊的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位，主要負(fù)責(zé)對周圍信息的采集和處理，并發(fā)送自己采集的數(shù) 據(jù)給協(xié)調(diào)器節(jié)點。本課題為基于無線傳感器的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，整個系 統(tǒng)由智能家居的網(wǎng)關(guān)和 zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，通過對家居臥室、客廳、廚房及衛(wèi)生間 等的居室內(nèi)空氣質(zhì)量及溫濕度等信息進(jìn)行采集，然后發(fā)送給 CC2530 進(jìn)行組網(wǎng)最后送給 LCD 屏顯示。若系統(tǒng)檢測到有毒有害氣體或空氣質(zhì)量超標(biāo)則報警，并帶動繼電器節(jié)點的排風(fēng)扇進(jìn) 行通風(fēng)，以保證家居空氣質(zhì)量良好。 畢業(yè)設(shè)計要求：畢業(yè)設(shè)計要求： 1、查閱文獻(xiàn)資料，了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 2、學(xué)習(xí)并掌握 CC2530 開發(fā)板的工作原理及其應(yīng)用。 3、利用 CC2530 設(shè)計網(wǎng)絡(luò)檢測節(jié)點（如溫濕度傳感器 DHT11、煙霧傳感器 MQ2 等）。 4、無線傳感器網(wǎng)路中協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的組網(wǎng)及調(diào)試。 5、進(jìn)行系統(tǒng)綜合調(diào)試，保證系統(tǒng)順暢運行。 6、完成畢業(yè)論文和答辯。 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1基于 CC2530 及 ZIGBEE 協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點 浙江萬里學(xué)院 章偉聰， 俞新武，李忠誠 2基于 CC2530 的 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計 山東輕工業(yè)學(xué)院 李新 3基于 CC2530 的 ZIGBEE 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計 電子科技大學(xué) 李俊斌，胡永忠 4無線通信系統(tǒng)與技術(shù) 人民郵電出版社 潘焱，田華，魏安全 5認(rèn)知與協(xié)作無線通信網(wǎng)絡(luò) 人民郵電出版社 謝顯中 6zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn) 化學(xué)工業(yè)出版社 王小強 7ZigBee 技術(shù)實踐教程:基于 CC2430/31 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案北京航空航天 大學(xué)出版社 高守瑋 8CC2530 中文數(shù)據(jù)手冊 二、畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度計劃及檢查情況記錄表 序號起止日期計劃完成內(nèi)容實際完成內(nèi)容 檢查日期 檢查人簽名 1 2015-11-06 2015-11-30 了解題目、收集設(shè)計資料。 2 2015-12-4 2015-12-31 學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān) 知識，考慮系統(tǒng)方案設(shè)計。 3 2016-1-1 2016-3-6 提出系統(tǒng)設(shè)計方案，熟悉所 用軟件，完成開題報告。 4 2016-3-7 2016-3-14 學(xué)習(xí) zigbee 協(xié)議棧的知識并 運用相關(guān)軟件。 5 2016-3-15 2016-4-7 選擇合適傳感器，如溫濕度 傳感器、煙霧檢測傳感器等； 準(zhǔn)備中期檢查。 6 2016-4-8 2016-4-30 畢業(yè)實習(xí)。 7 2016-4-30 2016-5-23 編寫程序，進(jìn)行軟件設(shè)計調(diào) 試。開始撰寫論文并交初稿。 8 2016-5-24 2016-5-27 論文定稿及裝訂。 9 2016-5-28 2016-6-3 檢查論文，準(zhǔn)備并完成答辯。 注：（1）表中“實際完成內(nèi)容”、“檢查人簽名”欄目要求用筆填寫，其余各項均要求打印。 （2）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書一式二份，一份學(xué)院系留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后裝訂在畢 業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）內(nèi)。 天津理工理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 屆：2016 學(xué)院：自動化 專業(yè)：自動化 2016 年 3 月 1 日 畢業(yè)設(shè)計 題目 基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名劉武斌學(xué)號20120522 指導(dǎo)教師佟吉鋼職稱講師 一、一、 課題的意義與課題的意義與國內(nèi)外發(fā)展方向國內(nèi)外發(fā)展方向 1、家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)的意義 隨著社會的進(jìn)步，生活質(zhì)量的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量提出了更高的要求， 家居環(huán)境也越來越受到人們的關(guān)注。人們約有 80%的時間是在室內(nèi)工作、學(xué)習(xí)、休息，因 此，室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響著人們的身體健康。由于大部分裝修材料、室內(nèi)裝 飾品、室內(nèi)設(shè)施等多由有機物合成，可揮發(fā)性有機物氣體擴散惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，此外， 世界范圍內(nèi)的節(jié)能性要求以及建筑材料的密閉性的提高，從而減少了室內(nèi)外空氣的流通， 使得室內(nèi)空氣質(zhì)量對人們生活、健康的影響明顯高于室外的空氣質(zhì)量。作為家居智能化的 核心部分智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要。家居智能化控制的開發(fā)和建設(shè)是未來國 家、經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢。智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案，使住戶的控制 更便捷，更高效，更能為家庭的日?；顒庸?jié)約不必要的能耗。而且在現(xiàn)在這個注重綠色環(huán) 保的世界里，智能的為住戶控制好空氣的濕度、溫度等，檢查分析空氣成分，讓住戶安心 入住。同時，智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案，加強緊急處理，危機救護(hù)等 急救控制，充分達(dá)到只要是“用戶想要的，就是我們追求的”宗旨。 2、國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 1984 年，世界上第一幢智能建筑在美國康涅迪格州落成，這棟意義非凡的建筑只是對 一座舊式大樓的一定程度的改造而完成的。它只是采用計算機系統(tǒng)對大樓的空調(diào)、電梯、 照明等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并提供語音通信、電子郵件、情報資料等方面的信息服務(wù)。2000 年， 新加坡有近 30 個社區(qū)的約 5000 戶家庭采用了這種家庭智能化系統(tǒng)，而美國的安裝住戶高 達(dá) 4 萬戶。2003 年，網(wǎng)絡(luò)化家居的建設(shè)帶來高達(dá) 4500 億美元的市場價值，這其中有 3700 億美元是智能家電硬件產(chǎn)品的價值，剩余的部分則是軟件和技術(shù)支持服務(wù)的費用。 現(xiàn)在，國外的智能家居系統(tǒng)技術(shù)己日趨成熟，預(yù)計今年，50%以上的新房將具有一定 的“智能型家居”功能。于此同時，由于技術(shù)的日益標(biāo)準(zhǔn)化，這些新型智能家居系統(tǒng)將比 爾蓋茨耗資 6000 萬美元的高端別墅便宜得多在智能家居系統(tǒng)研發(fā)方面，美國及一些歐洲 國家一直處于領(lǐng)先地位。 天津理工大學(xué)教務(wù)處制表 近年來，以美國微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國外知名企業(yè)，先后擠身于智 能家居的研發(fā)中。例如:微軟公司開發(fā)的“夢幻之家”、摩托羅拉公司開發(fā)的“居所之門” 、IBM 公司開發(fā)的“家庭主任”等均已日趨成穩(wěn)得技術(shù)強占家居市場。此外，日韓新等國 的龍頭企業(yè)紛紛致力于家居智能化的開發(fā)，對家居市場更是躍躍欲試。 20 世紀(jì) 90 年代后期，我國的智能小區(qū)日益興起。眾所周知，我國的智能化住宅建設(shè) 最早起于上海、廣州和深圳等沿海城市，并逐漸向內(nèi)陸發(fā)展。在 97 香港回歸之際，在建 設(shè)部“97 跨世紀(jì)住宅小區(qū)案競賽活動”中，上海中皇廣場被建設(shè)部科技委員會列為全國首 家“智能住宅示范工程”，揭開了全國智能小區(qū)發(fā)展的序幕。1999 年，建設(shè)部勘察設(shè)計司、 建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化辦公室聯(lián)合組織實施全國住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程，標(biāo)志著我國住 宅小區(qū)智能化進(jìn)入了一個新階段。隨著信息化走進(jìn)了千家萬戶，由國家經(jīng)貿(mào)委牽頭成立了 家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會，而信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系研究及產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)被列為了國家技術(shù)創(chuàng) 新的重點專項計劃。據(jù)建設(shè)部要求，截止今年，我國將有 70%以上的家庭擁有 Internet 入 網(wǎng)設(shè)備，大中城市中 50%的住宅要實現(xiàn)智能化。 二、課題的研究內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)、手段二、課題的研究內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)、手段 1、設(shè)計的主要內(nèi)容包括： （1）從機對周圍環(huán)境信息的采集和處理。 （2）從機發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點或更靠近協(xié)調(diào)節(jié) 點的節(jié)點。 （3） 實現(xiàn)實時接收上位機的控制命令和下位機的傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。 （4）將系統(tǒng)的各個模塊連接起來，保證整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行順利通暢。 （5）設(shè)計合理的流程，編寫相應(yīng)的程序。 2、主要技術(shù)指標(biāo)及要求： （1）利用ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)。 （2）協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)之間的連接方式及通信協(xié)議。 3、課題研究方法： 主要解決組網(wǎng)過程包括以下兩個部分： （1）協(xié)調(diào)器建網(wǎng) ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器（Coordinator）、終端節(jié)點（End-device）和路由器 （Router）這三種設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)部分，當(dāng)系統(tǒng)上電之后，協(xié)調(diào)器自動選擇一 個信道，然后選擇一個網(wǎng)絡(luò)號，建立網(wǎng)絡(luò)。路由器主要是在網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)配置方面起作 用，一旦網(wǎng)絡(luò)成功建立了之后，協(xié)調(diào)器就與路由器的功能是一致的。而路由器主要有三個 功能：允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由；輔助其孩子節(jié)點通信。終端節(jié)點只要加入已 建立的網(wǎng)絡(luò)即可，終端節(jié)點是不具有 天津理工大學(xué)教務(wù)處制表 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能的。 （2）終端節(jié)點入網(wǎng) 節(jié)點上電之后首先應(yīng)判斷自己是否是孤點。若是孤點，則選擇孤點方式加入網(wǎng)絡(luò)，利 用孤點掃描方式建立與父節(jié)點之間的聯(lián)系，此時網(wǎng)絡(luò)層管理實體通過請求MAC層對物理層 所默認(rèn)的所有信道進(jìn)行掃描，若掃描到原先的父設(shè)備，則反饋消息給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層管理 實體發(fā)送消息給上層節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)。若一開始經(jīng)判斷之后發(fā)現(xiàn)不是孤點，則選擇通過 MAC層關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò)。首先子節(jié)點發(fā)送信息請求加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層收到該消息之后會 請求MAC層執(zhí)行一個主動掃描接受了PAN標(biāo)識符的信標(biāo)幀。掃描完成之后MAC層會發(fā)送一個 消息給網(wǎng)絡(luò)層管理實體，網(wǎng)絡(luò)層管理實體再將該消息發(fā)送給上層，由上層選擇一個網(wǎng)絡(luò)加 入。子節(jié)點在選擇好一個合適的父節(jié)點之后會發(fā)送一個連接請求，由網(wǎng)絡(luò)層管理實體發(fā)送 消息給MAC層，嘗試通過父節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。 三、研究步驟三、研究步驟 （1）熟悉課題、查閱資料、翻譯資料。 （2）熟悉 ZigBee 協(xié)議棧的基本原理，開題報告。 （3）提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案、熟悉所用軟件。 （4）設(shè)計系統(tǒng)硬件。 （5）系統(tǒng)的綜合調(diào)試。 （6）畢業(yè)實習(xí)。 （7）系統(tǒng)測試及結(jié)果分析。 （8）整理資料，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 （9）完成畢業(yè)設(shè)計說明書終稿、準(zhǔn)備答辯。 四、進(jìn)度安排四、進(jìn)度安排 2016.01.012016.03.06 整理資料、制定設(shè)計規(guī)劃、了解 ZigBee 協(xié)議棧 2016.03.072016.03.14 完成基本理論的研究、開始軟件設(shè)計、硬件系統(tǒng)的選型、 搭建，實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標(biāo) 2016.03.152016.04.08 完成軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試、設(shè)計過程、撰寫論文 2016.04.092016.04.30 畢業(yè)實習(xí) 2016.05.032016.05.20 完善整理設(shè)計內(nèi)容、校正修改論文、確定論文最終稿 2016.05.212016.05.31 完成畢業(yè)設(shè)計、裝訂論文、提交論文 2016.06.012016.06.10 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 天津理工大學(xué)教務(wù)處制表 五、參考文獻(xiàn)五、參考文獻(xiàn) 1 王小強，歐陽駿，黃寧淋 .ZIGBEE 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn).北京：化學(xué)工業(yè)出版 社,2012 2 呂志安.ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008 3 李文仲,段朝玉.ZIGBEE 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn).北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2007 4 譚浩強.C 語言程序設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社，2006 5 孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005 6 美帕勒萬.無線網(wǎng)絡(luò)通信原理與應(yīng)用M.劉劍譯.北京：清華大學(xué)出版社，2002 7 趙阿群，陳少紅，趙直.計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)M.北京：北京交通大學(xué)出版社，2003 8 周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991 9 鄭相全.無線自組網(wǎng)技術(shù)實用教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2004 指導(dǎo) 教師 意見 簽字： 年 月 日 天津理工大學(xué)教務(wù)處制表 基于無線網(wǎng)絡(luò)的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng) 摘 要 我們的社會在進(jìn)步，現(xiàn)代人對生活也有了更高的要求,特別是我們每天生 活的家居空氣質(zhì)量。我們每天大部分的時間都生活在室內(nèi)環(huán)境中，但是由于大 部分裝修材料、室內(nèi)裝飾品、室內(nèi)設(shè)施等多由有機物合成，可揮發(fā)性有機物氣 體擴散惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，此外，世界范圍內(nèi)的節(jié)能性要求以及建筑材料的 密閉性的提高，從而減少了室內(nèi)外空氣的流通，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量對人們生活、 健康的影響明顯高于室外的空氣質(zhì)量?；谶@個問題我們把 ZigBee 無線通信 技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一套基于 ZigBee 的家居空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用主-從多式結(jié)構(gòu)，從機節(jié)點 和控制主機組成 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信，以 CC2530 微處理器芯片為核心搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)從機傳感器節(jié)點采集 溫濕度數(shù)據(jù)、空氣環(huán)境數(shù)據(jù)實時發(fā)送到主機網(wǎng)關(guān)節(jié)點并匯總，主控機結(jié)合監(jiān)測 數(shù)據(jù)判定出家居空氣總體質(zhì)量狀態(tài)并顯示，從而采取措施改善空氣質(zhì)量，實現(xiàn) 狀態(tài)監(jiān)測報警。 關(guān)鍵詞： 智能家居 ZigBee CC2530 空氣質(zhì)量檢測 The air quality Home Furnishing multipoint real-time monitoring and evaluation system by Using ZigBee ABSTRACT Our social is progressing, peoples quality of life is improving, and the indoor environment air quality also have higher requirements. We live in an indoor environment for most of the day, But because most of the decoration materials, interior decoration, indoor facilities more synthesized by organic compounds, volatile organic gas diffusion deteriorate indoor air quality. In addition, worldwide energy- saving requirements and building materials of improvement of airtight, thereby reducing the indoor and outdoor air circulation, make indoor air quality impact on peoples lives and health was significantly higher than that of outdoor air quality. Based on this problem we put the ZigBee wireless communication technology and sensor technology combined with a wireless sensor network, the design of a ZigBee based air quality Home Furnishing multipoint real-time monitoring system. System is mainly used principal from multimodal structure. From the control node and machine composed of ZigBee wireless sensor network, realizes the data communication between the nodes, to the microprocessor chip CC2530 as the core to build the wireless sensor network. System from the machine sensor nodes to collect data on temperature and humidity, air environmental data real-time transmission to the host, gateway nodes and summary, the main control machine combined with monitoring data determines the overall quality of state household air and display, and take measures to improve air quality, achieve state monitoring and alarm. Key Words: SmartHome ZigBee CC2530 Air quality detection 目 錄 第一章 緒論1 1.1 研究目的與意義1 1.2 現(xiàn)如今主要的空氣環(huán)境檢測方法1 1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展2 1.4 論文主要研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)3 第二章 ZIGBEE 技術(shù)概述4 2.1 ZIGBEE技術(shù)的特點4 2.2 ZIGBEE協(xié)議棧構(gòu)架5 2.1.1 物理層 7 2.1.2 MAC 層7 2.1.3 網(wǎng)絡(luò)層8 2.1.4 應(yīng)用層8 2.3 ZIGBEE的分類及功能作用8 2.4 ZIGBEE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)9 2.4.1 星形結(jié)構(gòu)9 2.4.2 樹形結(jié)構(gòu)9 2.4.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)10 2.5 ZIGBEE的通信方式11 2.5.1 廣播通訊13 2.5.2 組播通訊13 2.5.3 點播通訊14 第三章 空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計15 3.1 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計15 3.2 ZIGBEE 系統(tǒng)硬件設(shè)計16 3.2.1 檢測終端從機硬件設(shè)計16 3.2.2 主控機監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計21 3.3 ZIGBEE 系統(tǒng)軟件設(shè)計24 3.3.1 檢測終端從機系統(tǒng)軟件設(shè)計24 3.3.2 主控機監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計25 3.3.3 Z-STACK 軟件26 第四章 系統(tǒng)實物圖及實驗測試結(jié)果28 第五章 總結(jié)31 參考文獻(xiàn)32 附錄33 致 謝37 天津理工大學(xué) 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 - 1 - - 1 - 第一章 緒論 1.1研究目的與意義 我們的社會在進(jìn)步，現(xiàn)代人對生活也有了更高的要求,特別是我們每天生活的家居空氣 質(zhì)量。我們每天大部分的時間都生活在室內(nèi)環(huán)境中，但是由于大部分裝修材料、室內(nèi)裝飾品、 室內(nèi)設(shè)施等多由有機物合成，可揮發(fā)性有機物氣體擴散惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，此外，世界范 圍內(nèi)的節(jié)能性要求以及建筑材料的密閉性的提高，從而減少了室內(nèi)外空氣的流通，使得室內(nèi) 空氣質(zhì)量對人們生活、健康的影響明顯高于室外的空氣質(zhì)量1。 一般情況下，大多數(shù)的智能家居設(shè)備之間的組網(wǎng)方式采用有線組網(wǎng)方式，但是在實際應(yīng) 用過程中，由于布線范圍的限制以及隨著智能家居設(shè)備的增多，整個系統(tǒng)顯得非常繁雜，并 不便于整理，而且采用有線組網(wǎng)的方式使得布線成本也會增加。更重要的是，增加智能家居 設(shè)備節(jié)點的時候，需要改變智能家居中的設(shè)備節(jié)點的位置，有線組網(wǎng)的方式也就暴露出了其 問題。這就需要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來解決上述問題。由于各個智能家居設(shè)備之間的通信方 式均采用無線的方式，因此特別適用于家庭范圍內(nèi)的安全防范、學(xué)習(xí)、工作甚至是遠(yuǎn)程操控。 無線傳感器技術(shù)的發(fā)展跟隨著時代的發(fā)展越來越貼近人們的生活，因此，設(shè)計一套價格相對 低廉、實用、可擴展性高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為國內(nèi)推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的必 由之路。 1.2現(xiàn)如今主要的空氣環(huán)境檢測方法 對于空氣中的成分，其中二氧化碳的含量占 0.03%，其他的氣體多為氮氣、氧氣以及各 種灰塵。二氧化碳的含量雖然在空氣中很少，但是其作為呼吸中樞興奮劑是人類生理因素所 需求的。同時，如果二氧化碳的濃度超過一定范圍后，也會對人體造成很大的傷害。比如： 當(dāng)家居環(huán)境內(nèi)人口密度過大、再加上室內(nèi)的通風(fēng)效果不好的情況下，人們所呼出的二氧化碳 量超過了家居環(huán)境內(nèi)的新風(fēng)量，就會導(dǎo)致室內(nèi)二氧化碳濃度過高。過高濃度的二氧化碳的環(huán) 境會給我們的身體造成亞健康狀態(tài)。因此，家居空氣質(zhì)量的問題應(yīng)該值得關(guān)注。 對于家居環(huán)境來說，經(jīng)常開窗通風(fēng)顯得尤為必要，但是，人們不能準(zhǔn)確的感知自身所處 的環(huán)境空氣質(zhì)量的好壞，對空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更是沒有一個明確的界定，這就需要通過相關(guān)儀器 設(shè)施對家居空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。對于空氣環(huán)境監(jiān)測的方法，目前國內(nèi)的空氣環(huán)境檢測方法主 要有種：一種是人工采樣實驗室分析法，這種方法設(shè)備要求低、操作相對簡單，但是整個 檢測過程耗時較長，不能滿足對空氣環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測的要求；另一種是在線檢測法，雖然 這種方法具有檢測準(zhǔn)確、分辨率高以及靈敏度高的優(yōu)點，但是目前此方法主要依賴于外國進(jìn) 口設(shè)備，依然無法為全面準(zhǔn)確檢測大氣環(huán)境提供一個有力的保障2。因此，針對目前市場上 室內(nèi)空氣監(jiān)測的產(chǎn)品使用不方便和價格較昂貴的現(xiàn)狀，我通過對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的要求和 空氣質(zhì)量實施方式的綜合分析，結(jié)合具體情況設(shè)計了一種基于 ZigBee 的家居空氣質(zhì)量實時 監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)操作較簡單，而且有很好的實時性。 天津理工大學(xué) 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 - 2 - - 2 - 1.3國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 智能家居正在以高速的發(fā)展速度進(jìn)入我們的視線內(nèi)，如今已不再是科技展覽館之內(nèi)的展 覽品，而是我們身邊觸手可及的東西。讓我們在工作學(xué)習(xí)之余，可以享受到科技發(fā)展帶給我 們的安全舒適的家庭環(huán)境。 目前只能家居在國內(nèi)的發(fā)展情況并不容樂觀，不管是智能家居的普及率還是市場推廣都 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家，加入遠(yuǎn)程控制的智能家居產(chǎn)品更是少之又少。正是由于發(fā)展情況尚且不 容樂觀，我國智能家居只是一些規(guī)模相對較小的公司團(tuán)體在發(fā)展探索，雖然這些規(guī)模相對較 小的公司可以生產(chǎn)研發(fā)一些智能家居的產(chǎn)品，但是不管是在資金方面還是政府政策方面等多 種因素的存在，并不能夠完成智能化的家居產(chǎn)品開發(fā)。某些電器產(chǎn)品，如空調(diào)、洗衣機和電 熱水器等，如果可以加入遠(yuǎn)程控制這一大眾需求的產(chǎn)品特點，可以滿足一些定時功能所滿足 不了的緊急突發(fā)情況。 但是，總體的發(fā)展情況還是很值得期待的。隨著越來越多的人開始關(guān)注智能家居這一概 念，一些規(guī)模相對較大的公司也開始涉足于這個領(lǐng)域。例如海爾的智慧生活。此外，目前國 內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，中國汽車占有率也逐年上升，汽車內(nèi)的“智能家居”反而有很大突破， 很多新車型都加入了遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)以及車內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并且投入市場之后初見成 效。可見智能家居在國內(nèi)還是有很大發(fā)展前景。而且國內(nèi)智能手機已經(jīng)普遍，依托于各大運 營商的 4G 高速網(wǎng)絡(luò)，便攜式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用前景必然是一個大趨勢。部分地區(qū)的房 地產(chǎn)開發(fā)商通過引入智能家居的概念，退出了一些精品住房，而且在營銷上取得了不錯的收 益，尤其是在別墅群和一些規(guī)模相對較大的高端寫字樓。此外，城市高速網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的效果， 物聯(lián)網(wǎng)和云的概念也被人們所熟知，在依托經(jīng)濟發(fā)展之下，更方便、更舒適的生活模式必定 會得到越來越多用戶的肯定，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居方面的未來也必定會有更大的 發(fā)展。 對于國外的發(fā)展情況，美國是世界上最先涉足于智能家居領(lǐng)域的國家，并且美國早在上 世紀(jì)九十年代首次設(shè)計出了全世界第一棟智能樓宇建筑,從而開啟了智能家居在樓宇建筑領(lǐng) 域的先河。隨后，發(fā)達(dá)國家的科技人員也都紛紛提出了對于智能家居的設(shè)計理念,德國、新 加坡等國家在智能家居領(lǐng)域上的發(fā)展較快,社會上的應(yīng)用普及程度也相對較高。但是國外智 能家居產(chǎn)品不管是在產(chǎn)品費用上還是在安裝費用上都比較高,僅僅適用于國外別墅式的高檔 家庭,對于一般家庭而言并不適合。盡管美國的智能家居系統(tǒng)在全世界范圍內(nèi)的研究最早,但 是對于普及程度以及社會的應(yīng)用情況來看，最高的還是韓國。韓國取得這些成就的原因與韓 國先進(jìn)的電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展是分不開的。同時，韓國政府也出臺相關(guān)政策對智能小區(qū)和智能 家居系統(tǒng)上給予一定的政策扶持。目前，世界上相對發(fā)展情況較好的智能家居產(chǎn)品如 Vantange 智能家居系統(tǒng)、Stargete 智能系統(tǒng)等等。此外，一些大型計算機通信行業(yè)也都開 始涉足智能家居系統(tǒng)。相信在不久的將來，智能家居必定會有更大的發(fā)展。 天津理工大學(xué) 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 - 3 - - 3 - 1.4論文主要研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 本文研究和設(shè)計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是基于 CC2530 微處理器的硬件開發(fā)平臺，把無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合為一體，通過 ZigBee 無線傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸，把 ZigBee 無線通信技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)終端 節(jié)點對周圍環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理，然后把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器或者更靠近協(xié)調(diào)器。 系統(tǒng)主機可以顯示接收到的數(shù)據(jù)信息，同時也可以接受上位機的控制命令，依據(jù)各個從機節(jié) 點的地址信息進(jìn)行實時轉(zhuǎn)發(fā)，從而保證整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行順利通暢。 論文分為 5 章內(nèi)容介紹： 第 1 章介紹了本系統(tǒng)設(shè)計的目的與意義，接著對現(xiàn)如今兩種主要的空氣環(huán)境檢測方法進(jìn) 行了介紹，以及當(dāng)前國內(nèi)外對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀。然后點明論文的研究內(nèi)容和研 究方向以及論文的主要創(chuàng)新點； 第 2 章介紹了系統(tǒng)通信 ZigBee 技術(shù)和 Z-Stack 協(xié)議棧，結(jié)合已有的 ZigBee 技術(shù)，根據(jù) 實際情況對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了更進(jìn)一步的研究； 第 3 章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體的設(shè)計方案，分為系統(tǒng)主機和檢測終端從機兩個部分 進(jìn)行說明，然后對系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行了介紹和對節(jié)點所使用傳感器以及各個模塊電路圖、實 物圖做出了介紹并附有系統(tǒng)實物圖和源程序。 第 4 章給出了設(shè)計系統(tǒng)的實物圖以及系統(tǒng)的實驗測試的結(jié)果，通過實際的測試來對理論 有一個更加清晰的認(rèn)識； 第 5 章則是對全篇論文的一個心得感受，在文章最后對全文的一個總結(jié)。 天津理工大學(xué) 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 - 4 - - 4 - 第二章 ZigBee 技術(shù)概述 2.1 ZigBee 技術(shù)的特點 ZigBee 是一種短距離、低功耗、傳輸速率相對較低、設(shè)計與運營成本較低、自組織的 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 通信技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢在個人局域網(wǎng)和自動控制領(lǐng)域以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng) 域應(yīng)用場合較多。此外，可以通過 ZigBee 通信技術(shù)結(jié)合各種傳感器模塊成為無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。ZigBee 通信技術(shù)是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議開發(fā)的。IEEE802.15.4 描述了兩個底層協(xié)議，分別是物理層（PHY）和媒體接入控制協(xié)議（MAC），他們都屬于 IEEE.802.15.4 工作組。ZigBee 聯(lián)盟則在 IEEE802.15.4 的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng) 用層（APL）。ZigBee 的應(yīng)用范圍主要有工業(yè)控制、家庭自動化（即智能家居）、醫(yī)療領(lǐng)域、 電力設(shè)備節(jié)能燈諸多領(lǐng)域。下表給出集中無線通信協(xié)議的比較： 表 2.1 幾種無線通信協(xié)議的比較5 Table 2.1 Comparison of several wireless communication protocols 5 通訊類型 ZigBee 藍(lán)牙 Wi-Fi 移動通訊 覆蓋范圍 0-100m100m50m 幾千米 網(wǎng)絡(luò)擴展性擴展性強沒有沒有沒有 電池壽命幾年幾天幾小時幾天 難易性容易困難很困難困難 傳輸速率 250kbs3Mbps0-11Mbps38.4bps 通訊頻段 868Mhz-2.4Ghz2.4Ghz2.4Ghz0.8-1Ghz 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 65000850 無 聯(lián)網(wǎng)耗時30 毫秒10 秒3 秒3 秒 設(shè)備費用低低高很高 通訊費用沒有沒有沒有有 使用成本低低一般高 使用難易簡單一般難難 可靠性高高一般一般 通過上表可以得出結(jié)論，ZigBee 通信技術(shù)的優(yōu)勢如下： 1、低功耗：ZigBee 通信技術(shù)在低耗電待機模式下，通過合適的路由算法程序可以實現(xiàn) 超長的可持續(xù)性。實驗表明：2 節(jié) 5 號干電池的電量可以支持一個節(jié)點工作 6-24 個月，甚 至更長的時間。這是 ZigBee 的突出技術(shù)優(yōu)勢。其他幾種通信技術(shù)則耗電量相對較大，藍(lán)牙 通信能工作幾周、Wi-Fi 僅僅可工作幾小時。 2、低成本。ZigBee 通信技術(shù)通過大幅度地簡化協(xié)議（簡化后不到藍(lán)牙通訊協(xié)議的 天津理工大學(xué) 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 - 5 - - 5 - 1/10）,從而降低了對通信控制器的要求。比如：以 8051 單片機測算，只需要 32KB 就可以 滿足全部功能的主節(jié)點，而只需要 4KB 代碼就可以滿足子功能，可見其低成本。并且， ZigBee 不需要協(xié)議專利費。每塊芯片大約人民幣 15-20 元。 3、低速率。ZigBee 工作在 20250 kbps 的較低速率，分別提供 250 kbps（2.4GHz）、 40kbps （915 MHz）和 20kbps（868 MHz） 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng) 用需求6。 4、近距離。ZigBee 通信技術(shù)的傳輸范圍在 10-100 米之間，但是，增加了 RF 發(fā)射功 率之后，就可以增加到 1-3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。除此之外，可以先通過路由 器和節(jié)點之間通信，進(jìn)而可以延長傳輸距離。 5、短時延。ZigBee 通信技術(shù)的響應(yīng)速度較快，從睡眠模式轉(zhuǎn)到工作模式的過程一般情 況下只需要 15 ms 。而且，終端節(jié)點連接協(xié)調(diào)器進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的過程只需 30 ms ,從而可以進(jìn)一 步通過縮短時間節(jié)省電能。相比較而言，藍(lán)牙完成這些過程需要 3-10 s、Wi-Fi 完成這些過 程則需要 3 s。 6、高容量。ZigBee 通信技術(shù)各個節(jié)點之間的聯(lián)系可采用星型、樹型或者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其 管理方式是由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多情況下一個主節(jié)點可以管理 254 個子節(jié)點。 同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，理論情況下最多可組成 65000 個節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)。 7、高安全。ZigBee 通信技術(shù)提供了三級安全模式，以靈活確定其安全屬性 7 。 8、免執(zhí)照頻段。ZigBee 通信技術(shù)工作在 2. 4 GHz 的全球性免費頻段。 2.2 ZigBee 協(xié)議棧構(gòu)架 ZigBee 協(xié)議最開始于 2004 年首先發(fā)布了其 1.0 版本規(guī)范，經(jīng)過兩年的發(fā)展于 2006 年 11 月又退出了 1.1 版本。世界上有很多創(chuàng)始者企業(yè)支持 ZigBee 協(xié)議，如 Chipcon、Honeywell、微軟等多個大型企業(yè)。其中不僅有無線 IP 供應(yīng)商、設(shè)置制造商以及 相關(guān)的產(chǎn)品方案解決都已完善。并且 2005