CN206420495U - 一种基于zigbee的室内环境监测与智能报警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，将安装有传感器的终端节点放置在用户指定的房间内，终端节点与协调器通过ZIGBEE联系起来，系统本体包括协调器、终端节点设备、智能报警系统、传感器、智能网关、上位机，其中传感器包括温湿度传感器、光敏传感器、灰尘传感器，传感器用来探测室内的温度、湿度、PM2.5、光照强度，最后在上位机的软件界面显示详细的环境参数，或通过智能网关将信息传至用户的手机APP上，以方便用户实时查看室内环境的详细数据。该系统采用的无线自组网性能良好，操作简单、方便实用、工作稳定、可靠性好、功耗低，集室内环境监测与智能报警于一体，具有较高的实用价值与市场推广价值。

Description

一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统

技术领域

本实用新型涉及ZIGBEE技术领域，具体为一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统。

背景技术

ZIGBEE技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准，尤其是伴随 ZIGBEE2007协议的成熟，ZIGBEE技术在智能家居和楼宇自动化方面有较大的应用前景。无线传感网络发展到今天，ZIGBEE技术起到了很大的推动作用，这种技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。

生活环境的质量与人们的健康息息相关，而随着人们对生活环境质量要求的不断提高，利用逐渐成熟的ZIGBEE技术，设计一款在室内条件下对主要环境参数的监测系统，具有重要的现实意义与较高的市场推广价值。

目前，对于环境监测的研究大多是在室外进行的，而室内的环境监测主要是用于大棚蔬菜种植，而且也没有测量灰尘浓度的，本系统主要是针对温度、湿度、光照情况和灰尘这四个量进行监测，采用无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术，应用ZIGBEE协议，设计了一个集室内环境监测和智能语音报警功能为一体的系统，该系统操作简单、方便实用、工作稳定、可靠性好、功耗低。本系统可以使人们在任何时间都能在室内获得大量详实而可靠的信息，通过与上位机的通信可以将报警信息传给主人或小区管理人员，本系统同时设计了一款智能网关，使用了WIFI模块，该网关通过串口与协调器通信。手机通过智能网关进行无线双向通信，在APP上查看室内环境的详细数据，更方便的对室内环境实时观察。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型的室内环境监测与智能报警系统来解决以上问题。

本实用新型采用的技术方案是：一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，包括系统本体，所述系统本体由传感器、上机位、终端节点、协调器、智能网关和报警系统组成，其中协调器与报警系统组成用户终端，且在硬件上将二者集成于一体，并在软件上完成相应的程序编译处理；所述传感器包括温湿度传感器、灰尘传感器和光照传感器，连接有各种传感器的 ZIGBEE终端节点分布在室内需要检测的位置，负责采集数据并将数据传输给协调器端，协调器端接收到数据并在显示屏上显示以便用户查看详细数据，同时，协调器将数据传递给报警系统，由单片机控制的报警系统对收集到的数据进行判断，以提示用户做下一步安全处理。其中，协调器主要负责无线网络的建立和维护，而因为其对数据处理要求较高，且一直处于供电状态，所以本系统对协调器采用电源供电，并采用具有更多的数据处理空间的 CC2530F256为核心板；终端节点主要负责无线网络数据的采集，ZIGBEE技术低功耗主要体现在终端节点上，终端节点可以定时休眠，本系统中终端节点采用CC2530F32作为核心板，并装有温湿度传感器、灰尘传感器、光照传感器；上位机以PC为主体，协调器通过RS-232把数据传输给上位机，在上位机上显示这四种室内环境参数的同时，手机通过与智能网关进行无线双向通讯，在手机APP上亦可以实时查看室内环境参数；协调器通过串口将数据传给由单片机控制的报警系统，报警系统对温度过高可能导致的火灾与室内 PM2.5达到空气质量严重污染的状态进行智能语音的预报警与声光的预报警。

作为优选，在需要的房间放置接有此三种传感器的终端节点。

作为优选，将协调器端与报警系统组成的用户端放置在控制室或管理人员工作室，以便实时观察环境的变化并及时对预报警信息进行安全处理。

作为优选，温湿度传感器选用DHT11，该传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定。同时DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。

作为优选，灰尘传感器采用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器，可以感知烟草产生的烟气和花粉、房屋粉尘等，该传感器采用5V的输入电路，便于信号处理，内藏气流发生器，可以自行吸引外部大气，体积小，重量轻，便于安装，保养简单，可以长期保持传感器的特征。

作为优选，采用5516光敏传感器，价格便宜，实用性良好，易于误差控制。

作为优选，终端节点采用两节普通的5号干电池供电，在低功耗待机模式下，可以供电6个月以上，ZIGBEE的低功耗优势在终端节点处体现明显。

作为优选，终端节点对数据存储相对较少，所以本系统采用CC2530F32 作为核心板，足够应对要求。

作为优选，协调器主要负责无线网络的建立和维护，而因为其对数据处理要求较高，且一直处于供电状态，所以本系统对协调器采用电源供电，并采用具有更多的数据处理空间的CC2530F256为核心板。

作为优选，协调器与终端节点均采用TFT彩屏作为显示模块。方便用户直观的观察室内环境数据。

作为优选，节点之间选用星状拓扑结构，仅由一个协调器节点、路由器和多个接有传感器的终端节点组成，结构简单，管理简便，满足室内自组网要求。

作为优选，系统采用语音芯片ISD1820实现智能语音报警功能。美国ISD 公司推出一种单片8～20s单段语音录放电路ISD1820，可以进行10s左右的语音录放高质量自然的语音还原、外围元件少、电路连接简单、控制方便、成本低，可以通过单片机控制操作。当系统检测到室内温度超过设定温度时，在单片机的控制下，语音提示电路发出声音提醒。

作为优选，上位机以PC为主体，使用由NI公司研发的图形化编程软件 LABVIEW开发上位机软件界面，该软件功能强大易于开发。将数据总结后传至英特网上，手机通过WiFi或GPRS接入即可得到实时的室内环境参数。

作为优选，所述的协调器与上位机采用RS-232相连接，由于协调器传输的是所有传感器终端节点的信息，采用短距离有线的串口连接，可以保证数据传输质量，防止数据的丢失。

作为优选，本系统同时设计了一款智能网关，使用了WIFI模块，该网关通过串口与协调器通信。手机通过智能网关进行无线双向通信，在APP上也能够实时查看室内环境的动态数据。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1.创造性地在室内环境监测的基础之上，将ZIGBEE无线传感网技术与智能报警系统有机结合，构成了一套集室内环境监测与智能报警于一身的实用新型系统。

2.采用了基于ISD1820的智能语音报警系统，对火灾进行预报警，直接通过语音来提醒用户或管理人员进行安全预防措施。

3.相比传统的室内环境检测，本系统采用ZIGBEE技术，能够实时的采集到若干个室内房间的环境信息，通过无线收发的方式汇总各个房间的信息并呈现用户。体现出智能、高效、低功耗的特点。

4.协调器与接有传感器的终端节点之间通过802.15.4协议来实现组网。

5.协调器与上位机采用RS-232相连接，使用有线传输，提高数据传输的可靠性与传输质量。

6.上位机以PC机为主体，使用LABVIEW开发上位机软件界面。

7.本系统同时设计了一款智能网关，使用了WIFI模块，该网关通过串口与协调器通信。手机通过智能网关进行无线双向通信，在APP上也能够实时查看室内环境的动态数据。

8.该系统操作简单、方便实用、工作稳定、可靠性好、功耗低，集室内环境监测与智能报警于一体，具有较高的实用价值与市场推广价值。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构图；

图2为终端节点的设备构成图；

图3为协调器节点的设备构成图；

图4为传感器的工作流程图；

图5为协调器节点功能图；

图6为终端节点功能图；

图7为协调器的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：

参见图1，本实用新型提供了一种基于ZIGBEE的新型室内环境监测与智能报警系统，该系统主要由传感器、终端节点、协调器以及报警系统组成，连接有传感器的终端节点分布在用户指定的房间内，进行对室内温度、湿度、光照强度、PM2.5四种环境参数的采集工作，随后将传感器数据转发给协调器端；协调器负责组建并维护无线传感网络，并周期性的检测终端节点采集到的动态数据，协调器端主要工作是：接收终端的数据，随后将数据转发给通过串口连接的智能网关、通过RS-232连接的上位机、通过串口连接的智能报警系统；手机通过智能网关接收到协调器转发的数据，用户在手机APP上即可实时查看室内的动态环境数据。本系统上位机选用PC，使用LABVIEW开发上位机软件界面。

参见图2，终端节点由电源模块、时钟模块、电源转换模块、CC2530处理器模块、TFT显示模块、射频天线单元、自定义按键/LED端、A/D转换模块组成，并连接传感器端。终端节点的供电方式可以采用两节5号电池供电，处理器模块采用CC2530F32作为核心板，因传感器供电电压的要求不同，在终端采用了电源转换模块已解决该要求。采集到的数据在终端的TFT显示屏上显示供用户直观查看，同时通过射频天线单元将数据发送出去。

参照图3，协调器节点由CC2530处理器模块、TFT显示模块、射频天线单元、电源模块、时钟模块组成。协调器因为对数据处理要求较高，且一直处于供电状态，所以本系统对协调器采用电源供电，并采用具有更多的数据处理空间的CC2530F256为核心板。接收到的数据显示在TFT显示屏上的同时，将数据转发给通过串口连接的智能网关、通过RS-232连接的上位机、通过串口连接的智能报警系统。

参见图4，初始化无线传感网内的三种传感器，根据其状态的不同，进行数模的转换，转换完毕后即可读取相应的测量数据。

参见图5，协调器节点的功能时接收下位机传来的数据，同时能够转发系统发送的指令信息；同时将数据转发给上位机、智能网关、智能报警系统。

参见图6，终端节点置所连接的3个传感器分别是温湿度传感器、灰尘传感器、光敏传感器；它们作为无线传感网终端节点的传感器组，进行对室内温度、湿度、光照强度、PM2.5四种环境参数的采集工作，并将数据转发给协调器端。

参照图7，协调器首先发起组网，其建立网络的步骤如下：节点上电后，对硬件初始化、协议栈初始化，建立无线传感网络，启动网络后，终端节点向协调器发送加入网络的请求，协调器首先查看WSN有无空余地址，若有空余地址则根据组网要求允许终端节点加入网络，并分配网络地址。

参见图5，在最初建立网络的时候，只有协调器存在，它负责网络的发起、参数的设置，以及连接的建立；它主要由：射频模块、处理器模块、电源模块、接口模块以及液晶显示模块构成；如图所示，其建立网络的步骤如下：首先，给协调器上电，对其进行硬件初始化，然后根据ZSTACK，对协议进行初始化；当初始化过程全部完成以后，判断网络是否建立成功，若成功则允许终端节点加入，否则继续进行初始化；当接收到终端节点发来的入网请求信号以后，若地址空间未满则分配短地址并连接，组网成功。

上位机接收到与之通过RS-232相连的协调器传来的数据后，将其显示在由LABVIEW开发的上位机软件界面上。手机通过智能网关接收到协调器转发的数据，使用户在手机APP即可方便查看室内详细的环境数据。报警系统接收到协调器转发的数据后，对温度过高(用户可以提前设置，本系统的火灾报警阈值设置为45℃)可能导致的火灾，与PM2.5达到空气质量严重污染状态两种危险情况进行相应的智能报警。本系统操作简单、方便实用、工作稳定、可靠性好、功耗低，集室内环境监测与智能报警于一体，具有较高的实用价值与市场推广价值。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，包括系统本体，其特征在于：系统本体由传感器、上机位、智能网关、终端节点、协调器和报警系统组成，其中协调器与报警系统组成用户终端，且在硬件上将二者集成于一体，并在软件上完成相应的程序编译处理；所述传感器包括温湿度传感器、灰尘传感器和光照传感器，连接三种传感器的终端节点分布在室内需要检测的位置，所述终端节点与协调器通过ZIGBEE进行通信，所述协调器与终端节点上均设置有显示屏，所述协调器与报警系统通过串口连接，所述报警系统由单片机进行控制，终端节点上装有温湿度传感器、灰尘传感器、光照传感器；上位机以PC为主体，所述协调器通过RS-232与上位机信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述温湿度传感器、灰尘传感器和光照传感器的终端节点设置在监测房间，所述协调器端与报警系统组成的用户端放置在控制室或管理人员工作室，以便实时观察环境的变化并及时对预报警信息进行安全处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述温湿度传感器选用DHT11，且温湿度传感器采用5V电源电压下工作，工作平均最大电流0.5mA，所述灰尘传感器采用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器，且灰尘传感器采用5V的输入电路，所述光照传感器采用5516光敏传感器，所述终端节点采用两节普通的5号干电池供电，同时终端节点采用CC2530F32作为核心板，所述协调器采用电源供电，并采用具有更多的数据处理空间的CC2530F256为核心板，所述协调器与终端节点均采用TFT彩屏作为显示模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述终端节点与协调器之间选用星状拓扑结构，仅由一个协调器节点、路由器和多个接有传感器的终端节点组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述系统本体采用语音芯片ISD1820实现智能语音报警，所述上位机以PC为主体，使用由NI公司研发的图形化编程软件LABVIEW。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述的协调器与上位机采用RS-232相连接，由于协调器传输的是所有传感器终端节点的信息，采用短距离有线的串口连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于ZIGBEE的室内环境监测与智能报警系统，其特征在于：所述系统本体设置有智能网关，且智能网关采用了WIFI模块，通过串口与协调器通信。