本實(shí)用新型涉及ZIGBEE技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于ZIGBEE的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

ZIGBEE技術(shù)是基于小型無線網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，尤其是伴隨 ZIGBEE 2007協(xié)議的成熟，ZIGBEE技術(shù)在智能家居和樓宇自動化方面有較大的應(yīng)用前景。無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，ZIGBEE技術(shù)起到了很大的推動作用，這種技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。

生活環(huán)境的質(zhì)量與人們的健康息息相關(guān)，而隨著人們對生活環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，利用逐漸成熟的ZIGBEE技術(shù)，設(shè)計(jì)一款在室內(nèi)條件下對主要環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與較高的市場推廣價(jià)值。

目前，對于環(huán)境監(jiān)測的研究大多是在室外進(jìn)行的，而室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測主要是用于大棚蔬菜種植，而且也沒有測量灰塵濃度的，本系統(tǒng)主要是針對溫度、濕度、光照情況和灰塵這四個量進(jìn)行監(jiān)測，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)，應(yīng)用ZIGBEE協(xié)議，設(shè)計(jì)了一個集室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和智能語音報(bào)警功能為一體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單、方便實(shí)用、工作穩(wěn)定、可靠性好、功耗低。本系統(tǒng)可以使人們在任何時間都能在室內(nèi)獲得大量詳實(shí)而可靠的信息，通過與上位機(jī)的通信可以將報(bào)警信息傳給主人或小區(qū)管理人員，本系統(tǒng)同時設(shè)計(jì)了一款智能網(wǎng)關(guān)，使用了WIFI模塊，該網(wǎng)關(guān)通過串口與協(xié)調(diào)器通信。手機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線雙向通信，在APP上查看室內(nèi)環(huán)境的詳細(xì)數(shù)據(jù)，更方便的對室內(nèi)環(huán)境實(shí)時觀察。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警系統(tǒng)來解決以上問題。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種基于ZIGBEE的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警系統(tǒng)，包括系統(tǒng)本體，所述系統(tǒng)本體由傳感器、上機(jī)位、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、智能網(wǎng)關(guān)和報(bào)警系統(tǒng)組成，其中協(xié)調(diào)器與報(bào)警系統(tǒng)組成用戶終端，且在硬件上將二者集成于一體，并在軟件上完成相應(yīng)的程序編譯處理；所述傳感器包括溫濕度傳感器、灰塵傳感器和光照傳感器，連接有各種傳感器的 ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)分布在室內(nèi)需要檢測的位置，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器端接收到數(shù)據(jù)并在顯示屏上顯示以便用戶查看詳細(xì)數(shù)據(jù)，同時，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳遞給報(bào)警系統(tǒng)，由單片機(jī)控制的報(bào)警系統(tǒng)對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以提示用戶做下一步安全處理。其中，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，而因?yàn)槠鋵?shù)據(jù)處理要求較高，且一直處于供電狀態(tài)，所以本系統(tǒng)對協(xié)調(diào)器采用電源供電，并采用具有更多的數(shù)據(jù)處理空間的 CC2530F256為核心板；終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，ZIGBEE技術(shù)低功耗主要體現(xiàn)在終端節(jié)點(diǎn)上，終端節(jié)點(diǎn)可以定時休眠，本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)采用CC2530F32作為核心板，并裝有溫濕度傳感器、灰塵傳感器、光照傳感器；上位機(jī)以PC為主體，協(xié)調(diào)器通過RS-232把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示這四種室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的同時，手機(jī)通過與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線雙向通訊，在手機(jī)APP上亦可以實(shí)時查看室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳給由單片機(jī)控制的報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)對溫度過高可能導(dǎo)致的火災(zāi)與室內(nèi) PM2.5達(dá)到空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染的狀態(tài)進(jìn)行智能語音的預(yù)報(bào)警與聲光的預(yù)報(bào)警。

作為優(yōu)選，在需要的房間放置接有此三種傳感器的終端節(jié)點(diǎn)。

作為優(yōu)選，將協(xié)調(diào)器端與報(bào)警系統(tǒng)組成的用戶端放置在控制室或管理人員工作室，以便實(shí)時觀察環(huán)境的變化并及時對預(yù)報(bào)警信息進(jìn)行安全處理。

作為優(yōu)選，溫濕度傳感器選用DHT11，該傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定。同時DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。

作為優(yōu)選，灰塵傳感器采用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉、房屋粉塵等，該傳感器采用5V的輸入電路，便于信號處理，內(nèi)藏氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣，體積小，重量輕，便于安裝，保養(yǎng)簡單，可以長期保持傳感器的特征。

作為優(yōu)選，采用5516光敏傳感器，價(jià)格便宜，實(shí)用性良好，易于誤差控制。

作為優(yōu)選，終端節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)普通的5號干電池供電，在低功耗待機(jī)模式下，可以供電6個月以上，ZIGBEE的低功耗優(yōu)勢在終端節(jié)點(diǎn)處體現(xiàn)明顯。

作為優(yōu)選，終端節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)存儲相對較少，所以本系統(tǒng)采用CC2530F32 作為核心板，足夠應(yīng)對要求。

作為優(yōu)選，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，而因?yàn)槠鋵?shù)據(jù)處理要求較高，且一直處于供電狀態(tài)，所以本系統(tǒng)對協(xié)調(diào)器采用電源供電，并采用具有更多的數(shù)據(jù)處理空間的CC2530F256為核心板。

作為優(yōu)選，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)均采用TFT彩屏作為顯示模塊。方便用戶直觀的觀察室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，節(jié)點(diǎn)之間選用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器和多個接有傳感器的終端節(jié)點(diǎn)組成，結(jié)構(gòu)簡單，管理簡便，滿足室內(nèi)自組網(wǎng)要求。

作為優(yōu)選，系統(tǒng)采用語音芯片ISD1820實(shí)現(xiàn)智能語音報(bào)警功能。美國ISD 公司推出一種單片8～20s單段語音錄放電路ISD1820，可以進(jìn)行10s左右的語音錄放高質(zhì)量自然的語音還原、外圍元件少、電路連接簡單、控制方便、成本低，可以通過單片機(jī)控制操作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到室內(nèi)溫度超過設(shè)定溫度時，在單片機(jī)的控制下，語音提示電路發(fā)出聲音提醒。

作為優(yōu)選，上位機(jī)以PC為主體，使用由NI公司研發(fā)的圖形化編程軟件 LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件界面，該軟件功能強(qiáng)大易于開發(fā)。將數(shù)據(jù)總結(jié)后傳至英特網(wǎng)上，手機(jī)通過WiFi或GPRS接入即可得到實(shí)時的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

作為優(yōu)選，所述的協(xié)調(diào)器與上位機(jī)采用RS-232相連接，由于協(xié)調(diào)器傳輸?shù)氖撬袀鞲衅鹘K端節(jié)點(diǎn)的信息，采用短距離有線的串口連接，可以保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，防止數(shù)據(jù)的丟失。

作為優(yōu)選，本系統(tǒng)同時設(shè)計(jì)了一款智能網(wǎng)關(guān)，使用了WIFI模塊，該網(wǎng)關(guān)通過串口與協(xié)調(diào)器通信。手機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線雙向通信，在APP上也能夠?qū)崟r查看室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.創(chuàng)造性地在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)之上，將ZIGBEE無線傳感網(wǎng)技術(shù)與智能報(bào)警系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一套集室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警于一身的實(shí)用新型系統(tǒng)。

2.采用了基于ISD1820的智能語音報(bào)警系統(tǒng)，對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)報(bào)警，直接通過語音來提醒用戶或管理人員進(jìn)行安全預(yù)防措施。

3.相比傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境檢測，本系統(tǒng)采用ZIGBEE技術(shù)，能夠?qū)崟r的采集到若干個室內(nèi)房間的環(huán)境信息，通過無線收發(fā)的方式匯總各個房間的信息并呈現(xiàn)用戶。體現(xiàn)出智能、高效、低功耗的特點(diǎn)。

4.協(xié)調(diào)器與接有傳感器的終端節(jié)點(diǎn)之間通過802.15.4協(xié)議來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。

5.協(xié)調(diào)器與上位機(jī)采用RS-232相連接，使用有線傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c傳輸質(zhì)量。

6.上位機(jī)以PC機(jī)為主體，使用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件界面。

7.本系統(tǒng)同時設(shè)計(jì)了一款智能網(wǎng)關(guān)，使用了WIFI模塊，該網(wǎng)關(guān)通過串口與協(xié)調(diào)器通信。手機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線雙向通信，在APP上也能夠?qū)崟r查看室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)數(shù)據(jù)。

8.該系統(tǒng)操作簡單、方便實(shí)用、工作穩(wěn)定、可靠性好、功耗低，集室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警于一體，具有較高的實(shí)用價(jià)值與市場推廣價(jià)值。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備構(gòu)成圖；

圖3為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)備構(gòu)成圖；

圖4為傳感器的工作流程圖；

圖5為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能圖；

圖6為終端節(jié)點(diǎn)功能圖；

圖7為協(xié)調(diào)器的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

請參閱圖1-7，本實(shí)用新型提供一種技術(shù)方案：

參見圖1，本實(shí)用新型提供了一種基于ZIGBEE的新型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及報(bào)警系統(tǒng)組成，連接有傳感器的終端節(jié)點(diǎn)分布在用戶指定的房間內(nèi)，進(jìn)行對室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5四種環(huán)境參數(shù)的采集工作，隨后將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器端；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建并維護(hù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并周期性的檢測終端節(jié)點(diǎn)采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器端主要工作是：接收終端的數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通過串口連接的智能網(wǎng)關(guān)、通過RS-232連接的上位機(jī)、通過串口連接的智能報(bào)警系統(tǒng)；手機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)接收到協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，用戶在手機(jī)APP上即可實(shí)時查看室內(nèi)的動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)上位機(jī)選用PC，使用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件界面。

參見圖2，終端節(jié)點(diǎn)由電源模塊、時鐘模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、CC2530處理器模塊、TFT顯示模塊、射頻天線單元、自定義按鍵/LED端、A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，并連接傳感器端。終端節(jié)點(diǎn)的供電方式可以采用兩節(jié)5號電池供電，處理器模塊采用CC2530F32作為核心板，因傳感器供電電壓的要求不同，在終端采用了電源轉(zhuǎn)換模塊已解決該要求。采集到的數(shù)據(jù)在終端的TFT顯示屏上顯示供用戶直觀查看，同時通過射頻天線單元將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

參照圖3，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由CC2530處理器模塊、TFT顯示模塊、射頻天線單元、電源模塊、時鐘模塊組成。協(xié)調(diào)器因?yàn)閷?shù)據(jù)處理要求較高，且一直處于供電狀態(tài)，所以本系統(tǒng)對協(xié)調(diào)器采用電源供電，并采用具有更多的數(shù)據(jù)處理空間的CC2530F256為核心板。接收到的數(shù)據(jù)顯示在TFT顯示屏上的同時，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通過串口連接的智能網(wǎng)關(guān)、通過RS-232連接的上位機(jī)、通過串口連接的智能報(bào)警系統(tǒng)。

參見圖4，初始化無線傳感網(wǎng)內(nèi)的三種傳感器，根據(jù)其狀態(tài)的不同，進(jìn)行數(shù)模的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后即可讀取相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。

參見圖5，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能時接收下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，同時能夠轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)發(fā)送的指令信息；同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)、智能網(wǎng)關(guān)、智能報(bào)警系統(tǒng)。

參見圖6，終端節(jié)點(diǎn)置所連接的3個傳感器分別是溫濕度傳感器、灰塵傳感器、光敏傳感器；它們作為無線傳感網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)的傳感器組，進(jìn)行對室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5四種環(huán)境參數(shù)的采集工作，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器端。

參照圖7，協(xié)調(diào)器首先發(fā)起組網(wǎng)，其建立網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：節(jié)點(diǎn)上電后，對硬件初始化、協(xié)議棧初始化，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)，啟動網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，協(xié)調(diào)器首先查看WSN有無空余地址，若有空余地址則根據(jù)組網(wǎng)要求允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配網(wǎng)絡(luò)地址。

參見圖5，在最初建立網(wǎng)絡(luò)的時候，只有協(xié)調(diào)器存在，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)置，以及連接的建立；它主要由：射頻模塊、處理器模塊、電源模塊、接口模塊以及液晶顯示模塊構(gòu)成；如圖所示，其建立網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：首先，給協(xié)調(diào)器上電，對其進(jìn)行硬件初始化，然后根據(jù)ZSTACK，對協(xié)議進(jìn)行初始化；當(dāng)初始化過程全部完成以后，判斷網(wǎng)絡(luò)是否建立成功，若成功則允許終端節(jié)點(diǎn)加入，否則繼續(xù)進(jìn)行初始化；當(dāng)接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的入網(wǎng)請求信號以后，若地址空間未滿則分配短地址并連接，組網(wǎng)成功。

上位機(jī)接收到與之通過RS-232相連的協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)后，將其顯示在由LABVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件界面上。手機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)接收到協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，使用戶在手機(jī)APP即可方便查看室內(nèi)詳細(xì)的環(huán)境數(shù)據(jù)。報(bào)警系統(tǒng)接收到協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，對溫度過高(用戶可以提前設(shè)置，本系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警閾值設(shè)置為45℃)可能導(dǎo)致的火災(zāi)，與PM2.5達(dá)到空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染狀態(tài)兩種危險(xiǎn)情況進(jìn)行相應(yīng)的智能報(bào)警。本系統(tǒng)操作簡單、方便實(shí)用、工作穩(wěn)定、可靠性好、功耗低，集室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與智能報(bào)警于一體，具有較高的實(shí)用價(jià)值與市場推廣價(jià)值。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。