基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统

信息与电脑China Computer&Communication软件开发与应用

基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统

董炫良

（广东省海洋工程技工学校，广东 广州 510320）

摘　要：人们的日常生活与工作都需在具体的环境之中进行，随着目前计算机技术、控制技术、通信技术等技术手段的快速发展，人们的居住环境发生了翻天覆地的变化，并且不断向着更加安全、舒适的方向发展。而智能家居的概念由此产生。笔者提出了一种基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统设计方案，首先对系统工作原理进行了简要介绍，而后就其硬件与软件模块的设计展开了深入的探究，并最终通过实验验证，该系统具有拓展简便、测量精准、实时性好、价格便宜等优势。

关键词：ZigBee；智能家居；无线网络；环境监测

中图分类号：TP274.4  文献标识码：A  文章编号：1003-9767（2017）03-131-04

Intelligent Home Environment Monitoring System based on ZigBee Technology

Dong Xuanliang

Abstract: People's daily life and work are required in the environment, with the current computer technology, control technology

(Guangdong Province Vocational School of Maritime Engineering, Guangzhou Guangdong 510320, China)

and communication technology rapid development, the changes in turn the world upside down people's living environment, and

constantly toward a safer and more comfortable in the direction of development. The concept of smart home resulting. The author puts forward a design scheme of intelligent Home Furnishing environment monitoring system based on ZigBee technology, the working performance and low price the advantages of.

principle of the system are introduced, then the design of the hardware and software module carried out an in-depth inquiry, and

Key words: ZigBee; smart home; wireless network; environmental monitoring

finally through the experimental verification, this system has the extension of simple, accurate measurement and good real-time

随着当前计算机技术、控制技术、通信技术的快速发展，以及人们生活水平的不断提升，智能家居日渐成为了家居生活的一个主要发展方向。智能家居不但可为广大用户带来更加健康、舒适、便捷且安全的生活与工作环境，同时还可实现对各项家用电器设备的远程遥控。而ZigBee技术则因其所具备的低功耗、低成本、短距离等技术特点，现已成为无线传感网络的首选技术。本次研究就基于ZigBee技术，设计出了一种智能家居环境监测系统，利用这一系统用户可在管控中心的操作界面实时观察到环境信息数据。

能家居环境监测系统在实际工作运行时流程如下：（1）进行网络构建，将传感器节点和路由器节点布设于智能家居之中，协调器利用USB与PC设备连接起来；（2）将协调器通电，构建起一个新的网络架构，之后再接入PC机、路由器节点、传感器节点等相关设备，同时将所采集到的信息数据发送至PC机端，之后路由器节点与传感器节点在通电之后并入网络当中，同时发出相应的MAC地址及网络地址信息，利用协调器将信息反馈至PC机当中。从而相应的无线传感器网络便完成了搭建工作。传感器的节点可定期采集室内环境的温湿度等信息数据，利用多跳形式来将其发送到协调器节点位置，最终再利用协调器节点将所获取到的信息数据发送至PC机端。

１　系统工作原理

结合智能家居当中的环境监测系统设计要求，此传感器网络系统的构成具体包括传感器节点、路由器节点、协调器、PC设备四个方面，应用星形网络拓扑结构所建立而成，此智

２　硬件设计

此系统硬件部分的构成主要包括控制中心节点、路由器

作者简介：董炫良（1983-），男，广东广州人，本科，讲师。研究方向：应用电子电工技术。

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信息与电脑China Computer&Communication2017年第3期

节点、传感器节点三部分，可完成对于数据信息的获取、处理及无线信号接收与发送等功能。下文将就这三方面的硬件节点设计展开具体分析。2.1 控制中心节点设计

此项节点在ZigBee网络架构之中扮演了协调器的作用，其主要是为了完成ZigBee网络的构建以及节点管理等工作内容。在这一系统之中，其还需针对所获取到的数据信息展开适当的调整与处理，并且利用RS-232通信模块和PC机箱连接起来。

在控制中心当中其节点射频天线单元主要负责接收及发送电磁波信号的工作，LCD模块则如实反映出实时的网络现状，并显示所获取到的数据与指令，并且还能够与按键模块实现密切协同，并最终在菜单界面显示出来。

在控制中心节点的电源设计部分应用外部5V直流电源进行电力供应。鉴于系统工作电压是3.3V，在此次设计中电压转换核心芯片为MAX687，可完成外部直流电源与系统工作电压的有效转换。且这一电压转换芯片具备噪音小、低压差等特点，最大输出1线性稳压芯片，最低2mV电源电压瞬变。在输出电压不足2.96V时，电压转换芯片可将输出压自动切断。

2.2 路由器节点设计

此节点在实际应用的过程中，可以实现完全自主化的灵活配置，能量大都是由电池来供应。因而，这一节点的硬件电路结构较为简便，主要包括电源、时钟、CC2430、射频天线单元以及LED显示模块等。

路由器节点电源选用两节1.5V的电池互相串联来提供动力支持，可为路由器节点提供1.5V+1.5V的电压值。时钟模块与射频天线单元的电路设计可完全依据控制中心节点来实现。LED显示模块通常是由3个颜色完全不同的LED发光二极管所构成，主要用于显示节点实时工作状况。其中红色代表电源模块处于正常状态；黄色代表节点网络的运行状态，一旦此灯出现闪烁现象则代表节点并不处于网络系统之中，而黄色灯一旦不再亮起则代表节点已进到网络之中；绿色灯亮起则代表节点已进入到工作状态，可由用户自主定义每一种灯所代表的意义。2.3 传感器节点设计

这一节点在ZigBee网络之中起到了端节点的作用，可实现获取与传输数据。传感器节点硬件的构成主要包括电源、时钟、电源管理、CC2430、射频天线、LED显示、传感器等模块。在此节点之中的时钟与射频天线、LED显示三个模块的硬件功能和路由器节点完全相同。因而，此三部分电路设计完全可依据路由器的节点设计来进行操作。电源管理单元在为传感器模块以及信号调控模块供应电力能量时，还可大幅度减少节点能耗损失，并且这一单

元还能够实现对于工作电压开关的有效控制，有助于确保系统在不采集数据时其采集模块不发生能源耗损。数据采集模块的构成具体包括传感器和信号调理两个模块，能够完成对于物理信号数据的获取、转化、处理，有助于提升信号的精准性。

对于温湿度传感器选用数字型高精度温湿度传感器设备。单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。其应用工业COMS过程微加工处理技术来保障产品具备良好的性能稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件以及一个能隙式测温元件，同时还能够和14位的A/D转换器以及串行接口电路于同一芯片上实现无缝衔接。因而这一产品具备良好的品质特性，反应速度快，抗干扰效果好，性价比高。

３　软件设计

3.1 控制中心节点模块设计

这一节点的作用主要体现在对于ZigBee网络的构建、指令发送、数据获取，以及和管理中心之间的互相通信。并且，为了更加便于用户的实际应用，控制中心节点也可被独立用作手持终端，并以此利用按键和LCD显示屏来实时显示所测得的数据。因而，控制中心的节点软件构成主要就包括了以下几个部分。3.1.1 数据收发模块

ZigBee网络当中应用层对于数据服务传输格式定义有键值对与消息两部分，在此系统当中选用了消息数据服务格式来进行应用层数据的接收及发送。

（1）数据发送子程序。在Z-Stack的协议基础上，应用层通过调用AF_DataRequest函数实现对数据的发送处理。这一函数本质上是调取APS层当中的APSDU_DATA_Request，从而达到数据发送的目的。在Z-Stack协议内，其应用程序可利用解析来获取到消息内的簇信息，而后各自开展数据处理。为实现对节点消息的一致化监管，系统应用了簇信息节点所发送的信息来展开类型划分。具体可分为表1中的几种类型。

表１　应用层Ｃｌｕｓｔｅｒ　ＩＤ定义表

Cluster ID NameC_COMMONDC_SET_PERIOD

S_DATAS_NODE_INFOR

…

Cluster(2字节)

0x01000x02000x03000x0400其他

说明

控制中心节点发送指令到该传感器节点控制中心节点设置传感器节点采样周期传感器节点发送数据信息到控制中心节点传感器节点发送节点信息到中心节点

扩展保留

（2）数据接收子程序。在Z-Stack协议内，节点获取到了数据信息后，用户仅需在这一事件之下针对所获取到的信息展开处理。在实际的消息处理阶段之中，用户可依据消息内的Cluster ID来进行独立处置。此系统完全依据表1当中关于Cluster ID的定义。

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3.1.2 串口通信模块

在Z-Stack协议当中，节点串口通信单元已在硬件抽象层完成了封装处理，实现稳健为hal_uart.c/.h。在应用时，仅需针对此单元采取一定的配置处理便可调取应用这一单元来完成对于数据信息的接收及发送。这一模块功能函数具体有串口初始化、开串口、关串口、读串口、写串口等。此系统在硬件设计阶段便已应用了串口0以及管理中心来进行互相通信。进行串口单元配置，通过调用接口函数便能够进行数据的接收及发送处理。3.1.3 用户操作界面模块

此模块是为了能够更加便于用户独立应用控制中心节点来实现对于数据信息的采集所设计出的一个模块组织。本模块主要是利用按键以及LCD显示模块来展开协同配合，并以此来完成对于指令信息的发送及数据显示。此外，这一模块还能够协助设计人员来对系统程序进行适当的调试及分析处理。

鉴于在本次设计系统当中的LCD硬件结构和Z-Stack协议内本身具备的LCD接口完全不同，因此，在此次设计过程中利用宏定义的形式来新增自身的LCD接口程序，并以此来实现和系统接口函数的有效兼容。在这一系统中共设置了4个独立按键，能够完成对菜单界面的全方位转动，并可实现菜单命令撤销。3.2 路由器节点模块设计

在整个网络系统中此节点最为核心的作用即针对网络节点进行管理及数据转发。因而，在系统监测区域相对偏大或是信号较小时，可利用增多路由节点的方式来实现对网络区域的全面覆盖，以提升网络的稳定程度。在这一系统当中，路由器节点工作流程如图1所示。

如图1所示，路由器节点启动之后先行开展初始化，而后其便会将自身的网络地址以及角色信息发送至控制中心节点。之后，这一节点便会进到消息等候状态。若获取到的信息不是发送给自己则将消息转发至传感器节点，反之则进行相应处理并发送能量信息到控制中心节点。在这一系统当中，路由器节点所获取到的指令仅有节点能量检测。在路由器节点完成能量检测后，其便将所测得的结果发送至控制中心节点。

3.3 传感器节点模块设计

此节点模块设计的价值主要是体现在对于数据信息的获取及发送方面。为减少系统的能量耗损，节点在未开展数据采集工作时便应利用电源管理功能将数据采集模块的能量供应切断。传感器节点程序流程如图2所示。

图２　传感器节点程序流程图

在启动了传感器节点之后，其首先会进行初始化，而后其便会将自身的网络地址及角色信息发送至控制中心节点。之后，这一节点便会断开数据采集模块电源同时进入指令等候状态。依据所获取到的指令信息，传感器节点便会做出相应的程序处理操作。

４　实验与分析

为模拟真实环境，实验选用了日常家居中较常应用到的热水器、冰箱与室温来进行验证，以期能够实现对网络数据获取及传输能力的验证，另外，也期望可以检验设计节点是否可在极端复杂的条件下正常运行。实验过程中温度始终控制在21～23℃，湿度为68%～73% RH，并向温度为-3～2℃，热水器为60～65℃。

最终对系统极值进行了测定，最大为117℃。系统在冰箱节点测量的最低值为-9℃，并且显示于计算机界面中。经

图１　路由器节点工作流程图

实验检验表明，利用无线网络系统可实现对于室内温湿度的

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信息获取，同时将这一数据发送至数据接收模块，进而达到对环境的有效监测，此即证实本次研究所设计出的ZigBee网络可正常运行。并且所测得的温湿度情况和不同条件下的温湿度状况大致相当，这也进一步显示了传感器节点检测数据的精确性，系统能够正常运行，极值范围为-9～117℃，可满足绝大部分的智能家居环境监测需求。

参考文献

[1]徐书芳,王金海,宫玉龙,等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计[J].电子技术应用,2013,39(8).

[2]戴敏,王宜怀,潘启勇,等.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(3).

[3]张贝贝,周祖荣.基于ZigBee技术的智能水浸系统设计[J].计算机工程与设计,2016,37(11).

[4]何勉,许军.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].仪器仪表用户,2017,34(1).

[5]侯维岩,魏耀徽,庞中强,等.智能家居网关及其Web控制软件的设计和实现[J].自动化仪表,2015(5).

[6]武一,包春兰.基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统设计[J].河北工业大学学报,2014,43(1).

[7]白凤玲,佴仁武.基于FPGA和ZigBee技术的智能家居系统[J].黑龙江科技信息,2016(33).

[8]王家胜.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[J].探索科学,2016(9).

５　结　语

总而言之，本文提出了一种智能家居环境监测系统设计方案，通过实践检验表明，系统可精确测出并获取到室内的温湿度情况，同时可将此类信息精确、完整地输送到各协调器节点位置，同时还可于PC终端将各信息功能及时、准确地显示出来，从而也便达到了智能家居环境监测的效果。本系统应用ZigBee技术搭建起了无线家庭控制网络，无需变动原本的室内线路，也不用重新布线，仅需新增几处分机便可扩大控制容量，拓展起来十分便捷且操作简单，具有测量精准、实时性好、价格便宜、拓展性优异等优势，具备巨大的应用价值。

（上接第124页）

社区门诊，形成一级医院筛查预防、二级医院监测预警、三级医院应急预案的分级诊疗、双向转诊的科学管理体系。主要消除因医疗资源紧缺导致患者“看病难”的社会顽疾。

设备与设备之间的互联互通（物与物互联）、可穿戴设备与人体之间的互联互通（人与物互联）以及患者与医生之间的互联互通（人与人互联），进一步实现母胎监护设备的规范化管理、智能化预警、人性化服务以及区域化分诊等诸多移动医疗服务模式，最终构建成全天候、全方位的围产期高危妊娠监测预警管理平台。

本研究的特色体现在客户端全部采用患者体验最佳的移动物联网技术平台，建立符合国家标准的健康档案数据库，并按照循证医学原理进行产科大数据分析，构建计算机辅助诊断的临床决策支持模型，最终以母胎健康云等互联网技术架构完成高危预警平台的设计开发，实现了包括母胎监护的信息化采集、规范化处理、智能化预警、个性化服务及区域化管理等多功能协作运行。

３　结　语

国内外临床报道，高危孕妇如妊娠高血压综合征、胎儿生长受限、妊娠期肝内胆汁淤积症、妊娠期糖尿病、脐带绕颈等高危妊娠，应用远程监护得到的胎心异常率明显高于在医院常规监护中发现的异常率。这样使胎儿宫内缺氧状况得到及时诊断及处理，使胎死宫内、新生儿窒息的发生率均有明显下降[3]。

从患者方面分析：高危预警平台提供了更人性化、个性化的围产保健服务，开创了从院内到院外、从线上到线下（O2O）的创新服务模式。

从医院层面分析：高危预警平台降低了产科门诊产检就诊的压力，降低了医生工作的强度，并能够进一步降低孕产妇及围产儿的死亡率，为广大妇幼保健机构提出的“母亲安全、胎儿健康”质量目标提供了更加有效的技术解决方案[4]。

从国家层面分析：高危预警平台响应了国际卫计委倡导的分级诊疗管理体制，即通过该平台在辖区内逐级建立与基层医院或社区门诊的会诊转诊网络，形成“产科医联体”分级诊疗的创新管理模式，最终为全面提高我国新生儿人口素质的国家战略做出重要贡献。

本研究旨在通过对医院现有母胎监护设备的技术改造和升级，实现母胎监护数据的无缝连接和无纸化信息管理，即

参考文献

[1]漆洪波,孙江川,刘建,等.远程胎儿监护网络用于高危妊娠监测的临床价值[J].中华妇产科杂志,2002(8).

[2]潘俊峰,叶美美.电话远程胎儿监护系统的临床应用[J].中华妇产科杂志,2000(1).

[3]黄醒华.远程监护技术在围产医学中的应用[J].中华妇产科杂志,2002(8).

[4]段涛.高危妊娠(第3版)[M].北京:人民卫生出版社,2008.

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