1、基于ZigBee的宿舍管理系統(tǒng)基于ZigBee的宿舍管理系統(tǒng)所在院系：通信與信息工程 作 者： 日 期：2015年5月5日基于ZigBee的宿舍管理系統(tǒng)摘 要本設(shè)計(jì)采用MSP430單片機(jī)作為智能宿舍系統(tǒng)的控制核心，配以直流電源、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信、聲光報(bào)警、外部存儲(chǔ)、煙霧檢測(cè)、人體檢測(cè)、鍵盤(pán)、液晶顯示等外圍電路，實(shí)現(xiàn)了智能、自動(dòng)監(jiān)視宿舍的功能。在每個(gè)宿舍利用熱釋電傳感器、煙霧傳感器配以蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)、煙霧檢測(cè)和聲光報(bào)警功能，選擇4*4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)控制功能，整個(gè)系統(tǒng)完整的實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。關(guān)鍵字：MSP430，ZigBee無(wú)線(xiàn)通信，智能宿舍1 引 言目前，隨著國(guó)內(nèi)城市化的快速發(fā)展，國(guó)

2、家在物聯(lián)網(wǎng)智能方面的大力投入，促使國(guó)內(nèi)家居在智能節(jié)能管理方面有了較大的進(jìn)步，呈現(xiàn)出迅速發(fā)展的趨勢(shì)。 但目前學(xué)生公寓仍以人工管理為主，智能節(jié)能管理方面并沒(méi)有獲得足夠的重視。 為減少人力資源的投入，更大程度上保護(hù)學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)展學(xué)生公寓智能節(jié)能管理迫在眉睫。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，借鑒國(guó)內(nèi)智能家居的管理，本設(shè)計(jì)采用Zigbee短距無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，根據(jù)學(xué)生公寓的特點(diǎn)與需求，設(shè)計(jì)了一套智能節(jié)能管理系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用 msp430單片機(jī)和紅外傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、水浸傳感器、溫度傳器等傳感設(shè)備，通過(guò)Zigbee模塊連接到控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)宿舍安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控、對(duì)公寓進(jìn)行智能化的管理

3、，達(dá)到及時(shí)了解宿舍安全狀況和節(jié)能的目的。Zigbee是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了滿(mǎn)足小型、低成本設(shè) 備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月成立了IEEE 802.15.4工作組，主要負(fù)責(zé)制定物理層 和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn);高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣 等方面的工作則由成立于2002年8月的聯(lián)盟負(fù)責(zé)。2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了 1.0版本規(guī)范。聯(lián)盟由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)Motorola公司以及 荷蘭Philips公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線(xiàn)設(shè)備公司和開(kāi)發(fā)商的加 入。隨著Zigbee技術(shù)的不斷完善，使用這

4、項(xiàng)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普 及和高速發(fā)展，從而進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。 到了今天，ZigBee 聯(lián)盟成員包括三菱電子、西門(mén)子、摩托羅拉、德州儀器、中興、華為、飛利浦等世界 知名設(shè)備供應(yīng)商，其龐大而完整的產(chǎn)業(yè)鏈涵括了軟件開(kāi)發(fā)者、芯片制造商、服務(wù)提供 商以及終端制造商。事實(shí)證明，ZigBee聯(lián)盟所制訂的規(guī)范正被進(jìn)行廣泛的應(yīng)用?；赯igbee的管理系統(tǒng)正迅速發(fā)展，目前，學(xué)生的宿舍系統(tǒng)處在普遍的安全與管理隱患，宿舍的節(jié)能也正受到關(guān)注，智能節(jié)能管理方面并沒(méi)有獲得足夠的重視. 為減少人力資源的投入，更大程度上保護(hù)學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)展學(xué)生公寓智能節(jié)能管理通過(guò)Zigbee模塊連接到控制

5、臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)宿舍安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控、對(duì)公寓進(jìn)行智能化的管理，達(dá)到及時(shí)了解宿舍安全狀況提高宿舍管理的效率的目的，因此建立一個(gè)完善的宿舍管理系統(tǒng)迫在眉睫。2 總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用Zigbee短距無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，根據(jù)學(xué)生公寓的特點(diǎn)與需求，設(shè)計(jì)了一套智能節(jié)能管理系統(tǒng). 本設(shè)計(jì)利用 msp430單片機(jī)和紅外傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、水浸傳感器、溫度傳感器等傳感設(shè)備，通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接到控制臺(tái)（msp430控制系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)宿舍安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控、對(duì)公寓進(jìn)行智能化的管理。本系統(tǒng)首先通過(guò)煙霧傳感器、光電傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器及溫度傳感器等傳感器采集宿舍周?chē)沫h(huán)境參數(shù)，將周?chē)沫h(huán)境變

6、化經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳輸?shù)絑igBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，再由ZigBee終端將數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器，再次通過(guò)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)娇刂婆_(tái)。而后控制臺(tái)將數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，達(dá)到數(shù)據(jù)分析的效果，然后控制臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行反饋，采取相應(yīng)的處理，如：數(shù)據(jù)記錄、聲光報(bào)警或?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)再次傳輸?shù)剿奚嵛稽c(diǎn)作出相應(yīng)的處理等，系統(tǒng)功能框圖如圖2.1所示。Zigbee終 端Zigbee路由器協(xié)調(diào)器MSP430單片機(jī)傳感器繼電器用電器鍵盤(pán)液晶顯示報(bào)警無(wú)線(xiàn)傳輸串口通信圖3-13 硬件實(shí)現(xiàn)3.1 整體概述硬件部分是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，硬件部分設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本控制系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，它的內(nèi)部已包

7、含定時(shí)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件，性能符合整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其它芯片，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性強(qiáng)，并且性?xún)r(jià)比高。以ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸為數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信和信息處理等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界、計(jì)算機(jī)世界以及人類(lèi)社會(huì)的聯(lián)通。紅外傳感器、煙霧傳感器、光電傳感器等傳感設(shè)備感應(yīng)周?chē)h(huán)境的變化，達(dá)到數(shù)據(jù)采集的目的。繼電器等設(shè)備可以達(dá)到很好的控制效果。系統(tǒng)主要模塊關(guān)系如圖3-1所示。MSP430單片機(jī)煙霧傳感器光電傳感器人體紅外感應(yīng)器ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊溫度傳感器ZigBee終端LCD128*64鍵盤(pán)控制電路報(bào)警圖3-13.2主要模塊方案論證

8、與比較3.2.1主控制器模塊方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作為控制核心。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)算速度較低，內(nèi)部資源較少，功能單一，且自身功耗相對(duì)較高，難以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。方案二：采用16位低功耗單片機(jī)MSP430作為控制核心。它具有豐富的I/O口與外部中斷，運(yùn)算速度快，為16位機(jī)，而且功耗很低。因?yàn)镸SP430的功耗比51的低且其I/O口多，運(yùn)算速度快，所以我們選擇方案二。3.2.2 ZigBee模塊Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率

9、、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee在本系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的信息傳輸?shù)淖饔茫饕薪K端、路由器、協(xié)調(diào)器構(gòu)成。3.2.3傳感器模塊：將周?chē)沫h(huán)境變量轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)從而達(dá)到信號(hào)采集的目的，主要涉及煙霧、水位、氣體及人體的感應(yīng)。煙霧傳感器為MQ-2型號(hào)傳感器，它具有雙路信號(hào)輸出（模擬量及TTL電平輸出），對(duì)液化氣、天然氣、煙霧有較好的靈敏度，且有長(zhǎng)期的使用壽命穩(wěn)定性高。氣體傳感器主要由電化學(xué)傳感器ME2-C0和MC101組成可采集一氧化碳及甲烷等氣體變化。3.2.4繼電器模塊：采用HK4100F固體繼電器，可控制大功率的用電器的工作，如：空調(diào)

10、，電燈等用電器。HK4100F固體繼電器性?xún)r(jià)比高，工作穩(wěn)定有較長(zhǎng)的使用壽命。而且能達(dá)到與單片機(jī)相結(jié)合的效果。3.2.5顯示模塊：方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示具有亮度高，顏色鮮艷，易于觀察，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，采用CH451驅(qū)動(dòng)可以大量減少占用的I/O口。但缺點(diǎn)是只能顯示有限的數(shù)字和符號(hào)，即顯示信息量小，顯示內(nèi)容單一。方案二：采用128X64點(diǎn)陣LCD液晶顯示。LCD液晶可輕松實(shí)現(xiàn)字母、漢字、圖像等的顯示，控制簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)人性化、動(dòng)態(tài)化的顯示，使顯示內(nèi)容更加豐富，人機(jī)交互更加容易。鑒于LCD強(qiáng)大的顯示功能，我們選擇了方案二。3.2.6鍵盤(pán)模塊：方案一：采用獨(dú)立式按鍵。此類(lèi)鍵盤(pán)采用獨(dú)立鍵

11、盤(pán)掃描方式，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，編程相對(duì)容易，但對(duì)單片機(jī)資源占用較多，不利于系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)。方案二：采用4*4矩陣式鍵盤(pán)輸入。矩陣鍵盤(pán)為行列掃描方式，在按鍵較多時(shí)可以大大節(jié)省I/O接口，控制方便，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。由于4*4矩陣式鍵盤(pán)比獨(dú)立式按鍵節(jié)省單片機(jī)I/O接口，所以我們選擇了方案二。3.3硬件電路搭建3.3.1人體檢測(cè)模塊當(dāng)檢測(cè)范圍內(nèi)無(wú)人時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)傳感器會(huì)產(chǎn)生高電平，由此可以判斷宿舍內(nèi)是否有人。單片機(jī)通過(guò)對(duì)IO口高低電平的檢測(cè)掃描判斷宿舍是否有人。熱釋電紅外傳感器電路接口圖如圖3-1所示：圖3-23.3.2鍵盤(pán)控制模塊由于本系統(tǒng)所使用到的單片機(jī)端口資

12、源較少，端口資源充足，因而在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路時(shí)，我們采用常用IOA0-IOA7口來(lái)做一個(gè)4*4矩陣鍵盤(pán)，IOA4-IOA7口作為列線(xiàn)，通過(guò)上拉電阻接+5V，被箝位在高電平狀態(tài)，IOA0-IOA3口為行線(xiàn)，如圖所示。對(duì)鍵盤(pán)的掃描過(guò)程可分為兩步：第一步是CPU首先檢測(cè)鍵盤(pán)上是否有鍵按下；第二步是再識(shí)別是哪個(gè)鍵按下。對(duì)鍵盤(pán)的識(shí)別方法通常采用逐行（逐列）掃描法。原理圖如3-3所示。圖3-33.3.3煙霧檢測(cè)模塊本系統(tǒng)采用煙霧傳感器檢測(cè)信號(hào)，MQ-2的靈敏度為40PPM, PPM是體積濃度表示法，一百萬(wàn)體積的空氣中所含污染物的體積數(shù)，即PPM。即當(dāng)環(huán)境中煙霧顆粒濃度超過(guò)40ppm時(shí)，煙霧傳感器的阻值下降很快

13、。電源用設(shè)計(jì)的+5V直流電源供電。MQ-2氣敏管A-B之間的電阻，在無(wú)煙環(huán)境中為幾十千歐，有煙霧環(huán)境中可降到幾千歐。一旦有煙霧存在，A-B間電阻迅速減小，比較器LM339通過(guò)電位器R2所取得的分壓隨之增加，當(dāng)正向端電壓高于負(fù)向端時(shí)，比較器LM339翻轉(zhuǎn)，輸出端便可輸出高電平觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。電路圖如圖3-4所示。圖3-43.3.4聲光報(bào)警模塊考慮實(shí)用性，成本低廉，我們選擇利用發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的電路圖，當(dāng)煙霧傳感器、熱釋電人體紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)輸出低電平控制此電路已達(dá)到報(bào)警的效果。電路圖如3-5所示。圖3-53.3.54 軟件實(shí)現(xiàn)4.1整體概述整個(gè)系統(tǒng)主要有兩個(gè)

14、程序模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊（MSP430）和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊（Zigbee），兩者之間可通過(guò)串口通信。由于整個(gè)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性很高，因此系統(tǒng)必須快速響應(yīng)輸入，執(zhí)行相應(yīng)功能。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，按其功能分為不同級(jí)別的程序模塊。采用中斷方式，按中斷優(yōu)先級(jí)別實(shí)時(shí)調(diào)用相應(yīng)的中斷程序，滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求。軟件總體模塊，主系統(tǒng)部分如圖4-1（a）所示，Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸部分程如圖4-1（b）所示。主系統(tǒng)聲光報(bào)警控制液晶顯示與控制串口接受數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)處理與判斷鍵盤(pán)讀取Zigbee模塊處理網(wǎng)絡(luò)改變事件數(shù)據(jù)串口發(fā)送與接收發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)事件初始化部分系統(tǒng)初始化（a）（b）圖4-14.2各模塊具體流程圖4.2.1主系

15、統(tǒng)部分（1）主程序模塊：包括數(shù)據(jù)區(qū)初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、鍵盤(pán)初始化、顯示初始化，數(shù)據(jù)處理，液晶顯示，聲光報(bào)警，串口通信等部分。（2）鍵盤(pán)處理模塊：有功能鍵輸入時(shí)，申請(qǐng)中斷，并判斷所輸入的功能；調(diào)用相應(yīng)模塊，完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)功能。鍵盤(pán)輸入信息的主要過(guò)程包括三個(gè)步驟。首先CPU判斷是否有鍵按下，然后確定按下的是哪一個(gè)鍵，最后把此鍵代表的信息翻譯成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的代碼。具體設(shè)計(jì)流程圖如4-3所示：開(kāi)始結(jié)束I/O口初始化返回鍵值確定X、Y坐標(biāo)記錄X、Y坐標(biāo)賦予鍵值圖4-34.2.2 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸部分5 系統(tǒng)測(cè)試5.1測(cè)試環(huán)境模擬宿舍房間布局，成比例的制作一個(gè)系統(tǒng)模擬平臺(tái)，并將熱釋電人

16、體紅外傳感器，煙霧傳感器等模塊放在適當(dāng)?shù)奈恢?，達(dá)到完全模擬宿舍房間的功能。并且另外模擬主控室房間。5.2測(cè)試方法采用先局部后整體的方法，分模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成功之后將各個(gè)模塊整合，進(jìn)行總體測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析。分別開(kāi)啟各個(gè)傳感器，測(cè)試各傳感器的功能實(shí)現(xiàn)情況，并對(duì)其進(jìn)行記錄。5.3測(cè)試數(shù)據(jù)記錄5.3.1熱釋紅外傳感器檢測(cè)范圍測(cè)試熱釋電紅外傳感器檢測(cè)范圍主要是在傳感器加菲涅爾透鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)調(diào)節(jié)BISS0001第12管腳負(fù)反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1 熱釋電檢測(cè)范圍測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)次序12345檢測(cè)距離（m）由題目要求檢測(cè)距離在5m以上因此選擇10K可調(diào)電阻。5

17、.3.2煙霧傳感器靈敏度測(cè)試煙霧傳感器靈敏度測(cè)試主要是先確定在煙霧濃度為1000ppm的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)紅外發(fā)射管的限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-2所示。表5-2煙霧傳感器靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)次序12345反應(yīng)時(shí)間（S）0.54根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，最終確定限流電阻在4.7 K左右為最佳6 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)半年的努力，我們終于將本作品制作成功，完成了所有功能。在這期間我們遇到了很多困難，但是我們并沒(méi)有放棄，而是充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，最終將其一一克服。通過(guò)此次科技立項(xiàng)作品的制作不但鍛煉了我們的實(shí)踐能力，更增強(qiáng)了我們做事的毅力，豐富了我們的性格，相信在以后的學(xué)習(xí)和生活中會(huì)有很大幫助。在這里我們衷心感謝支持我們的各位老師和同學(xué)。