摘要近年來，隨著人們生活水平的提高，智能家居逐漸開始占據人們的生活視野，例如智能車庫、智能家居機器人、智能家具電器等。智能化的設備確實使生活更輕松更便捷，它解放了人力物力，還節省了財力。但是，目前大多數國家的智能化家居系統還不完善，很多智能家居設備還不能保證居住環境的健康和安全。本課題正是彌補目前智能家居在這方面的不足。本課題設計的室內環境監測系統，以單片機為核心采用2個zigbee模塊自組網，使用cc2530處理器控制傳感器采集溫濕度和煙霧濃度，通過zigbee模塊把采集到的數據傳輸到協調器上?？梢灾庇^的了解到室內環境的狀態，實現對室內環境監測的設計與實現。關鍵詞：DTH11模塊；煙霧濃度模塊；zigbee模塊目錄1前言 前言1.1課題的研究背景21世紀是數字時代，智能化設備逐漸普及。隨著世界經濟的飛速發展，突然興起的智能化行業也在突飛猛進。提供了方便快捷的同時，大大節省了人力物力。這些都是智能化發展造就良好結果。特別是近年智能家居的發展給到人們與傳統生活起居方式不同的體驗。家里的各種智能設備可以隔空控制，一個口令就能控制家里的電器。生活獲得了極大的便利。在生活越來越智能、方便的同時，人們把目光投向了居住環境的安全健康，居住環境狀態直接影響到住戶的舒適性甚至是身體健康。以往的智能家居系統大多忽略了健康和安全。其實物聯網技術不僅能在家具家電的智能化方面應用廣泛，在家居安防領域也很實用。2018年3月，深圳一場智能安防會，將智能安防系統推上了熱潮。保障安全健康智能的系統的問題第一次在此峰會上被提出來。人們意識到未來的社會，一定是智能安防系統給予我們安全的環境生活。而科技需要一步一步的發展，著眼當前，一個能實時監控到室內環境、能及時發現火災類危險的設備對人們來說是及其重要的。本課題設計的室內環境監測系統正好能彌補以往智能家居在安全性方面的欠缺，讓人們能實時掌握居住環境的溫濕度及有無煙霧，能夠顧及使用者舒適和安全。1.2國內外研究現狀及意義智能化住宅的發展一直是社會上所討論的一個熱點話題。比爾蓋茨曾經提出過關于他對未來住宅的設想，他預言了智能化家居的發展趨勢。截止2019年，新加坡已經存在有8500所智能化住宅。同樣的，國內也在智能化住宅上投資了很多資金做研發。大家所熟知的小米公司這幾年也在開始加入到智能家居的研發大軍。國內外智能家居系統研發者也更重視安全方面的問題。積極研發了一些家用安全設備，如火災報警器，空氣質量監測儀。這些設備能在火災威脅到人們生命安全之前報警，能夠檢測由工業化生產和裝修所留下的有害氣體成分和含量。目的就是要給人們一個安全的健康的居住環境。行業發展于消費者、用戶的態度有關。消費者認為很多不必要的功能抬高了產品價格。CNNIC數據顯示，12.7%的用戶覺得這類產品人機交互體驗差；11.3%的用戶覺得這類產品還沒有發掘出自己最為關心的功能。很多企業的這類產品成本過高，有部分不實用功能產生溢價拉低產品的性價比。還有各部件之間需要用數據線連接，在實物安裝中距離較長的布線比較繁瑣，有一定的難度，對安裝環境也有一定要求。為避免這些問題，本課題的研究采用成本較低的硬件設計人們最關心的健康安全監測系統。課題的研究意義在于提高性價比，克服距離的限制和繁瑣的布線。從目前智能家居用戶最為關心的安全及健康問題入手，做到盡量滿足人們需求提高用戶體驗。2系統的設計方案2.1總體設計方案設計之前整理出系統的功能和包含的內容。首先，針對健康和安全方面，需要做到監控溫濕度和火災，就需要系統具有溫濕度超標報警和煙霧報警。要能夠直觀的知道系統所在環境的溫濕度狀況就需要一個顯示器。系統還需要能夠無線通訊的控制系統。將所有要求整合之后大致設計出的系統如下：系統基于cc2530單片機微控制器，使用2個zigbee模塊自組網。通過串口控制Zigbee；單片機控制煙霧濃度模塊獲取現場有無煙霧。DHT11模塊也會在單片機控制下采集環境中的數據，然后通過cc2530搭配的Zigbee向協調器發送信息。系統的總體設計圖如圖1所示：圖1系統結構圖此系統的主控制芯片是cc2530，芯片內部編程，收集煙霧傳感器和溫濕度傳感器模塊數據，然后對其進行處理，再通過ZigBee節點將數據發送到協調器。此時協調器將信息發送到cc2530單片機，當單片機將接收到的數據時對其進行處理，控制實現室內環境檢測的設計與實現。2.2控制設計系統采用基于cc2530的單片機控制器。主要負責控制本系統中信號的發送及數據信號的接收處理。單片機通過從機部分的程序控制DHT11傳感器和煙霧傳感器采集環境中的溫濕度和煙霧濃度。cc2530搭配最新zigbeePRO協議。通過zigbee節點將從機采集到的數據發送到協調器。協調器在cc2530的控制下將采集到的數據處理，在液晶顯示器上顯示出來。當各數據超標時控制蜂鳴器做出反應。cc2530單片機在系統中的功能如圖2所示：圖2單片機的功能示意圖從機的底板接入煙霧傳感器和溫濕度傳感器。對其核心板燒入程序控制煙霧模塊和DHT11采集數據。顯示器和蜂鳴器接到協調器底板相應的引腳。在程序編寫中，把函數賦值到數組中去，并且對數組中的每一個值都進行重復快速掃描。3硬件設計3.1控制系統的選型在選用控制系統時，需要對市面上各種芯片進行對比，選用最適合的芯片。為了應對zigbee和RF4CE應用難題，TI公司研發了一款能夠結合這類應用的cc2530芯片。cc2530是一款高性能、高標準的芯片，具有多種標準接口，是一款兼具性能和性價比的芯片產品，而且這類芯片的型號較多，具有兼容多種型號的引腳，也可以兼容各種開發軟件，從而可以適用于多款應用。更方便于個體研究。性能方面，這款芯片配備高效RF收發器。是標準的增強型8051CPU。cc2530具備不同的運行模式，且備較高的抗干擾和穿透。，很適用于低功耗無線傳感網絡中。核心板下加入的底板擁有更豐富的引腳，可外接更多的設備供系統使用。所以cc2530很適合作為此設計的控制芯片。無線設備：cc2530搭載RF內核控制的無線模塊。具有可連接無線設備的優良接口，連接無線設備可達到讀取狀態和發出命令的目的。這個模塊包含了識別地址和數據包；串口：cc2530可支持不同外設。所有的引腳都由I/O控制器控制，任意一個引腳受不受軟件程序控制取決于配置的外設。控制器可分別控制任意引腳中斷，可以保證芯片控制下的系統的靈活性；存儲器：內含閃存存儲器。通過軟件或調試接口可對存儲器編程。寫入或清除嵌入式由閃存控制器進行處理。3.2模塊電路3.2.1系統單片機核心電路cc2530屬于16位單片機，相比51單片機稍復雜一些。cc2530通過底板引出一系列的外接引腳，用于控制系統各模塊。單片機具有二十一個輸入或輸出引腳，I/O的用途由寄存器配置或者軟件控制。單片機系統的核心電路圖如圖3所示：圖3單片機系統核心電路圖液晶顯示器的8個接口按序分別接入主機底板的3.3V、GND、3.3V、P17、P16、P15、P14、P13。蜂鳴器的正負極連接到POD和3.3V。為了方便加入了干電池制作的供電電源，正常接到底板的供電引腳。DHT11的三個接口分別接到引腳3.3V、POD和GND。煙霧傳感器的三個接口分別接到GND、5V和P17引腳。電路的正確連接保證系統正常的同時方便程序的編寫。3.2.2系統的晶振電路cc2530單片機含有四個晶振。16MRC晶振和32KRC晶振是單片機上電時默認使用的晶振。振蕩器分為低頻32KHz內部RC振蕩器和高頻16MHz內部RC振蕩器。系統時間的精度需要低頻振蕩器為其提高穩定的時鐘信號作為校準。此單片機晶振電路用引腳PC14和引腳PC15連接到單片機，再通過單片機介入osc-in和osn-out，提供了穩定時序進入單片機，為使晶振能夠諧振，加入了電容，方便產生時間的序列。在偏激中最為重要的就是時鐘。晶振電路原理如圖4所示：圖4晶振電路原理圖3.2.3復位電路設計當系統監測到環境中有數據超標之后會觸發系統報警。當問題得以解決之后，要使系統回復之處狀態繼續運行。我們就需要設計一個復位電路，復位電路圖如圖5所示：圖5復位電路原理圖3.2.4呼吸燈原理本課題設計基于cc2530單片機系統的呼吸燈要求在報警時能夠頻閃。單片機上的燈只有兩種狀態，通電時亮，斷電時滅。要讓燈由暗到亮再到暗，原理就是讓燈以肉眼觀察不到的頻率閃爍，燈暗的時候其實是燈閃爍頻率較低，逐漸加快頻率，小燈就越來越亮，在到達設置的最高頻率時燈就最亮，然后又降低頻率，燈又慢慢變暗。以這種規律重復讓燈閃爍就達到呼吸燈的效果。3.2.5電源電路設計系統需要供給5V直流電工作。在調試時直接使用電腦USB進行供電即可。在進行遠距離測試時，用干電池對其供電。單片機上有供電接口，安裝時需要常用的5V充電頭持續穩定的供電。3.2.6煙霧檢測模塊市面上有已存在的煙霧檢測模塊，因此只需將其介入到電路當中即可。煙霧傳感器是要連接在從機的，當煙霧傳感器采集到數據之后會通過從機的zigbee節點發送到協調器，協調器會在12864顯示上顯示出對應值，因為煙霧傳感器是環境中煙霧濃度達到報警值之后就會報警，所以協調器顯示屏上只會顯示1和2，不會顯示煙霧具體濃度。1表示不報警2表示報警。3.2.7LED12864顯示模塊系統選用的是12864液晶顯示屏，這個名字來源于橫向128縱向64的點陣排列。它有著低電壓低功耗的優點，顯示程序也比較簡潔。這類顯示屏在單片機領域應用廣泛。8位并口的數據總線也很適合我們的cc2530單片機。3.2.8實物整體電路在本課題研究中，在單片機的控制下，通過溫濕度傳感器采集溫濕度數據，煙霧傳感器采集煙霧濃度。傳感器收集到室內環境中的數據后，通過zigbee模塊將數據發送到主機單片機，通過對數據的處理之后。在液晶顯示屏上顯示出室內溫濕度數據及單位。協調器部分也稱主機部分，由一個cc2530、一個蜂鳴器和一個12864顯示屏組成。功能是受到從機部分采集到的數據后，通過單片機處理在顯示屏上顯示出來液晶顯示器上顯示的溫度和濕度都有兩個數據。第一個是當前的溫度和濕度數據，第二個顯示的是為系統設置的一個臨界值。煙霧顯示方面，當環境中沒有煙霧顯示02，有煙霧時顯示01。當各項數據超標后控制蜂鳴器報警。從機部分是在單片機控制下，通過DHT11傳感器和煙霧傳感器采集環境中的數據，再靠zigbee與協調器進行數據傳輸，我們還需對從機部分進行編譯程序并拷入。主機與從機之間靠zigbee天線進行無線通信。根據系統的功能和硬件組成整理出所需硬件材料如表1所示表1所需硬件材料及數量所需硬件材料名稱所需數量cc2530核心板+底板212864液晶顯示器1蜂鳴器1DHT11傳感器1煙霧傳感器15號干電池3數據線若干在組接實物電路之前需要設計完整的硬件電路圖，要保證電路圖的可靠無誤就需要對電路進行仿真實驗。Protues電路設計環境在國內外廣受單片機工作者的青睞，這款軟件能夠仿真單片機。不僅能夠虛擬模型也能設計外圍器件，是一款非常實用的仿真電路軟件。利用Protues完成硬件的電路設計并進行實驗，仿真電路完成測試無誤之后開始準備實物電路硬件。采購完系統所需的所以硬件和數據線之后，將所有硬件按照設計的電路連接起來。按照Protues的電路設計圖完成以下連接和焊接：液晶顯示器的8個接口按序分別接入主機底板的3.3V、GND、3.3V、P17、P16、P15、P14、P13。蜂鳴器的正負極連接到POD和3.3V。為了方便加入了干電池制作的供電電源，正常接到底板的供電引腳。DHT11的三個接口分別接到引腳3.3V、POD和GND。煙霧傳感器的三個接口分別接到GND、5V和P17引腳。完成連接后硬件和單片機組成一個完整的系統電路。電路由兩個部分組成，兩個部分構成不同功能不同卻又緊密關聯。兩個部分分別是協調器和從機部分，協調器是面向使用者直觀地顯示出室內環境的狀態。從機部分負責采集環境中數據并進行處理和向協調器傳輸數據。完整的實物電路如圖6所示：圖6系統實物電路圖4軟件設計4.1軟件開發環境本設計使用的編譯軟件是IAR。在開發過程中，要盡量做到簡單編譯，語法通俗易懂。因此在對開發環境的選擇時需要對軟件各方面綜合考慮選擇。IAR作為一款優秀的開發工具廣泛應用于嵌入式系統。這款C編譯器可支持眾多半導體材料微處理器。它具有豐富的函數庫和強大的開發與調試的能力，含有的PROMable代碼效率極高。面對不同的芯片有相應的速度和相應的大小優化器。8位16位及32位的單片機嵌入式都適用這一系列的軟件開發工具。是調試本課題設計的系統的很好的選擇。軟件環境配置：（1）ProcessorVariant選項表示處理器類型。一般默認位ARM7TDMI，我們選擇cc2530核心對應的ARM選項進行配置。正確的選擇芯片對應的類型方便調試，軟件會自動設置描述文件。（2）要設置輸入和輸出的Printff和scanf函數格式，需要在formatter選項區域的下拉表框中設置。（3）選擇Multi-file復選框，以便多程序文件之間的交叉跳轉、交叉調用和內聯。（4）char類型的數據符號。因為編譯工具通常將char設作無符號類型，位避免連接運行庫時類型錯誤不能匹配，不能選擇Signed帶符號類型；IAR的優化，優化方法和優化級別可通過Level來選擇所需的方法跟級別。（5）remark診斷信息可通過Enableremarks選項選取生成。（6）輸出文件類型，Output選項區域中可選擇Executable和Library。前者意思時生成執行代碼，后者位生成庫文件。4.2程序設計實現主機從機之間的zigbee通信需要設定兩個模塊的發送和接收地址，代碼：#defineSEND_ADDR0x1520//設置zigbee發送信息的地址#defineRECEIVE_ADDR0x1515//設置zigbee接收信息的地址蜂鳴器模塊，因為這個模塊使用的是NPN三極管，所以BEEP=0時是上電，也就是蜂鳴器報警。實現蜂鳴器報警的代碼：if((Temp>=wendu_worn)||(Humi>=shidu_worn)||(Smoke==0x01))//如果，溫度大于等于設定的溫度報警值、濕度大于等于設定的濕度報警值、有煙霧{BEEP=0;D2=0;//蜂鳴器上電，實現報警}else//否則{BEEP=1;D2=1;//蜂鳴器斷電，不報警}溫濕度模塊,溫濕度寫入、啟動溫濕度傳感器，實現代碼：voidCOM(void);voidDHT11(void);煙霧模塊，煙霧傳感器檢測到環境中有無煙霧后，向協調器發送信息，實現代碼：if(Smoke==1)//如果環境中沒有檢測到煙霧{pTxData[3]=(U8)0x02;//顯示輸出為02}else//否則{pTxData[3]=(U8)0x01;//顯示輸出為01}4.3程序燒寫在程序編寫完畢之后通過仿真電路對軟件程序調試。保證個模塊代碼能正常使系統工作之后可開始對單片機進行燒寫。首先打開程序對應的工程文件，選擇此工程文件下的Options；在第一個選項中的Device欄選擇MSP430F5418；Debug一欄點擊TexasInstrumentUSB-IF；在USBselection中選擇好COM口之后，在工具欄下點擊第一步操作；如果提示如下內容，可點擊第二部操作便可完成程序的燒寫。5系統的調試實驗調試是每一項設計不可獲缺的步驟，要通過對實物的調測，才能證明設計作品的可靠性和科學性，才能掌握設計的功能作用。也能夠對所學習的技術有更進一步的理解。在此課題設計里面安全第一，所以主要測試煙霧濃度檢測是否靈敏，在調試事物的時候，將報警上限數值設置好。調試好后用檢測傳感器環境煙霧超標是否報警。根據電路圖連接好各個元器件，在確認電路連接無誤后開始調試，調試過程中記錄下每個出錯的點記錄下來方便之后繼續改進。

在調試的過程中，遵循先局部，再總體的實驗規律。

軟件的調試也是及其重要的一步，軟件能影響到系統能否正常工作。調試軟件的過程要按模塊調試，逐個地模塊的調試，循序漸進，避免查錯范圍廣難以糾錯的難題。5.1硬件調試5.1.1電路模塊功能調試在電路的準確性測試完成之后，需測量電路的各組模塊，例如需獨立出來進行測試的ZigBee，檢查是否能夠發送、接收數據，檢驗發送和接收的數據是否準確；實驗溫濕度傳感器和煙霧傳感器，就需要用于實際檢測，以便檢測模塊的可靠性。可通過單獨每個模塊的檢測，檢查其功能性正常，結合上系統中才能保證系統的可靠性和準確性。硬件和軟件都調試完畢之后，本設計基本完成。5.1.2無線距離測試在調試過電路本身沒有問題之后，我對系統進行了外界因素影響的測試。在沒有障礙的情況下，將系統兩部分進行不同距離開機實驗，得到此系統在無障礙物影響的情況下，數據傳輸的有效距離在70米左右。然后在墻體隔離的情況下進行同樣的測試。把系統兩部分分別放在一面墻的兩側，在不同距離下開機測試，測的系統在一面墻體的隔離下30米以內能有效工作。再增加一面墻體作為隔離，測得在兩面墻的隔斷下系統正常運行的有效距離為21米。在小面積的金屬物遮擋下信號傳輸無影響。因此，此系統在住房中安裝是可以正常工作的。6結論本課題主要介紹基于cc2530系列的單片機設計的室內環境監測系統。在設計之初，通過查閱資料和與老師的幫助效，確定了設計方向。經過不斷學習和摸索，克服了一系列困難之后終于完成了此系統的設計。系統結構以cc2530單片機為控制核心，組合了主體的電路和模塊，基本實現了基于單片機的室內環境監測的設計。設計可監測到環境的溫濕度和煙霧，采用zigbee的通訊方法，與以往的家居系統相比，更進一步解決了健康舒適和安全問題，克服了繁瑣的布線降低了實際應用時的安裝難度。解決了這些方面的問題也推進了我對物聯網家居進一步了解和探索的興趣。本設計仍不完美，系統還不能連接手機終端。進一步改良的方向就是利用網絡將系統狀態傳輸到用戶手機，讓人們不在家的情況也可以實時掌握室內環境的狀況。展望未來，5G技術成熟并普及之后，物聯網行業定會有更一步的發展，智能家居和智能安防會更成熟更穩定的為人們服務。此次課題的設計讓我認識到不管是軟件還是硬件技術，對我們的學習和生活都是非常重要的。在設計過程中，不斷去學習接觸過和沒接觸過的東西。從材料和軟件的選取，以簡單實用為原則一步步改進，到設計出作品，每一步都不輕松。每一步的成功都是豐富的收獲。只有通過實踐才能更好的發現自己的不足并去彌補。參考文獻[01]基于STM8和nRF24L01的智能車庫門控制系統設計[J].李敏,夏躍武,喬斌.重慶工商大學學報(自然科學版).2014(07)[02]基于Android手機的智能遙控器設計[J].蔣開偉.科技致富向導.2014(33)[03]智能家居:新科技時代的寵兒[J].董鵬.CAD/CAM與制造業信息化.2014(11)[04]一種新型的綜合電氣火災報警系統