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1、摘 要设计基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统，完成Zigbee组网检测及GPRS远程通信设计，以STC89C52为核心，与移动通信网络、语音电路及烟雾和温度传感器、红外传感器、气体传感器相结合，通过无线节点的布网，实现火情、盗情与燃气泄漏的实时监测，并通过GPRS网络以短信及语音报警方式及时向用户手机进行自动报警，达到了保护人民财产及生命安全的目的，提高了现有远程安防监测系统的功能，用于个人用户的家庭远程安放环境。关键词：ZigBee/GPRS；传感器；实时监测；自动报警。目录第一章基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计方案41.1基于ZigBee/GPRS
2、的智能家居远程安防监测系统设计意义41.2基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计的研究内容及方法51.2.1研究内容51.2.2研究方法51.3基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计的实验方案61.3.1硬件部分61.3.2软件部分8第二章基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统的单元电路设计102.1 ZigBee网络拓扑结构设计102.2 传感器电路设计10第三章设计总结12参考文献13第一章 基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计方案1.1基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计意义随着现代家居生活的不断改
3、善，人们对财产、人身安全的要求也越来越高，家庭防火防盗问题就成为人们极为关心的问题。安防系统不再只局限于防盗，而且要能做到防火和防燃气泄露（火灾大多是煤气泄漏、电器绝缘短路时没有及时发现并处理而引起的），并即时了解和解决家中突发事件，实现家庭安全系统的智能化。近年来，安防检测装置已成为智能家居普遍采用的设备，它为维护社会治安、保障百姓的生命财产安全发挥了重要作用。而传统的安防检测系统在信号检测、信号处理上还存在一定问题，由于采用有线连接方式，布线繁琐且线路容易老损致使一些系统经常出现误报或者漏报,以及报警系统不动作，出现报警后用户无法及时在远程获取报警事件信息。由于ZigBee和GPRS技术组
4、网通信的独特优势，以ZigBee/GPRS技术为核心搭建的无线智能家居系统成为目前最优秀的智能家居解决方案，也是几年内智能家居发展的一个重要方向。本设计基于ZigBee/GPRS技术的家居安防远程监测系统正是根据这样的需求，通过有线连接方式升级为无线连接方式（ZigBee无线组网连接），从而达到火情、盗情与燃气泄漏的实时监测，并通过GPRS网络以短信及语音报警方式及时向用户手机进行报警，以便及时处理，为营造出安全的生活环境奠定了一定的基础。本设计将研究基于STC89C52的检测技术、Zigbee的组网技术、GPRS远程通信技术，设计一种基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统，用于
5、个人用户的家庭远程安放环境，实现家居智能化。1.2基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计的研究内容及方法1.2.1研究内容本设计是基于ZigBee技术的无线智能家用防火防盗及燃气泄漏报警系统，是以STC89C52为核心，与移动通信网络、语音电路及烟雾传感器、红外传感器、门磁传感器相结合，通过无线节点的布网，实时监测家庭火情、安全及家用燃气气体浓度来检测是否有可燃性气体泄漏并超过安全的范围，如果有险情，通过ZigBee终端节点把数据传到中心协调器，通过微控制器控制移动电话机模块和语音模块拨打求助电话及发送短信，通知家人有安全隐患，并且同时自动报警。（1）确定方案：通过比较各种近
6、距离无线通讯技术特点，确认了使用基于STC89C52的智能家居系统的可行性。（2）硬件电路设计及调试：针对STC89C52的参数规格和技术特性，设计出相应的外围电路，主要由无线模块、电源模块、数据采集模块、电话机模块等部分组成，并同时进行相应的调试。（3）选择适合的网络协议：系统采用TI/Chipcon公司的ZigBee2006无线通信协议，标准的TCP/IP协议。（4）软件部分设计及调试：本系统的软件设计部分主要是由以STC89C52为核心的MCU的中心协调器组建mesh网络部分、数据处理诊断部分、串口数据通信和电话语音报警部分构成，采用VC+实现，集多线程、数据库处理、串口通信、图形显示等
7、技术为一体，并进行系统软件调试。（5）根据智能家居发展情况和发展趋势，设计出较为完善的基于STC89C52的安防检测系统。1.2.2研究方法设计完成通讯距离较远的非接触式数据传输，基于ZigBee技术的无线家居安防检测原理为：由检测器根据IEEE802.15.4通信协议，对检测处进行实时查询，当各传感器检测到有险情发生时，自动通过网络向住户手机发送消息，并向报警装置发出“唤醒”信号，避免在住户解决各种险情问题之前的不安定因素。1.3基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统设计的实验方案本系统设计主要包含硬件部分以及软件部分两方面内容。硬件部分主要包括电源电路，晶振、复位电路与AD基
8、准电压电路，传感器信号调整电路，PC通讯电路。软件部分包括网络协议部分，STC89C52调试及控制部分。整个系统的结构框图如图1所示。计算机的管理软件盗情、火情、漏气检测装置报警信号发送和接收模块住户手机接收装置应急处理触发及控制装置图1 系统结构框图1.3.1硬件部分1.检测电路：包括STC89C52核心部分，单片机输入端，红外传感器，烟雾传感器，燃气泄漏检测电路和气体传感器自检电路。其中，烟雾传感器应可成为 “气电”转换器，用于将气信号转换为电信号。当有燃气泄漏时，该烟雾传感器表面会发生化学吸附，使其本身电阻下降，且燃气浓度越高，其电阻下降的越多。气体检测电路连接在烟雾传感器的检测端，通过
9、调节电位器可以设定不同燃气的报警线。传感器将检测到的信号输出成电信号，反馈给STC89C52核心电路，进而进行接下来的操作。2.信号发送和接收：数据调理电路系统工作时，终端的ZigBee节点采用半功能的ZigBee节点设备，主要完成燃气气体浓度的采集及数据的发送。终端节点把数据发送给中间路由或直接发送给中央协调器，协调器会处理诊断传来的数据，如果达到了预先设定好的浓度报警阈值，就会驱动电话网络中的电话机模块拨打预先设定好的电话号码，通过模拟摘挂机的方式驱动语音模块拨打设定好的电话号码，如果电话占线或无人接听还可拨打下一个电话号码，这样连续循环拨打，直到对方摘机。如果对方摘机就会听到预先编录好的
10、语音模块播放的相应的语音。如下图2为信号的发送和接收框图。气体传感器前端节点温度、烟雾传感器红外传感器（防盗）无线传输STC89C52微控制器前端节点传来的数据电话机接口模块电话机模块按键语音模块图2信号发送和接收框图3.传感器选择(1)防盗采用热释电人体红外传感器，该传感器是由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端
11、产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。热释电红外传感器不受白天黑夜的影响，可昼夜不停地用于监测，广泛用于防盗报警。(2)防火采用烟雾传感器MQ-2，此烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。1.3.2软件部分1.节点软件的设计：ZigBee协议
12、栈是使用C语言编写的，协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表，因此，必须使用可自编程的闪存存储器单片机。协议栈根据ZigBee规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口(API)则在头文件中定义。要实现抽象性和模块性，顶层总是通过定义完善的API和紧接着的下一层进行交互，该层的C头文件定义该层所支持的所有API。用户应用程序总是与应用支持子层(APS)和应用层(APL)交互。典型的应用程序总是与应用层(APL)和应用支持子层(APS)接口，APL模块提供高级协议栈管理功能，用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。AP
13、S层主要提供ZigBee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。APS还有一个间接发送缓冲器RAM，用来存储间接帧，直到目标接收者请求这些帧为止。MACes MAX_ DATA_ REQ_ PER工OD编译时间选项定义了确切的请求时间。节点请求数据时间越长，数据包需要保存在间接发送缓冲器里的时间也越长，数据请求时间越长需要的间接缓冲空间越大。ZigBee设备对象(ZDO)负责接收和处理远程设备的不同请求。介质访问控制(MAC)层实现了IEEE 802. 15. 4规范所要求的功能，并负责同物理(PHY)层进行交互。2.利用Kiel C编程软件实现对单片机以及ST
14、C89C52模块的编程，调试并运行出搭建的实际电路。3.使用IAR对ZigBee进行调试，将编写好的程序导入芯片中。第二章 基于ZigBee/GPRS的智能家居远程安防监测系统的单元电路设计2.1 ZigBee网络拓扑结构设计在ZigBee网络中，ZigBee设备主要有3种角色：网络协调器、路由器和终端设备。其中网络协调器主要负责网络的建立，以及网络的相关配置;路由器主要负责找寻、建立以及修复网络报文的路由信息，并负责转发网络报文；终端设备具有加入、退出网络的功能，并可以接收和发送网络报文，但终端设备不允许路由转发报文。ZigBee网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇状网络3种拓
15、扑结构。2.2 传感器电路设计1.热释电人体红外传感器图3 BIS0001的热释电红外传感器电路图图3中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。图3中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。2.烟雾传感器MQ-2图4 烟雾传感器MQ-2电路图MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空
16、气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。第三章设计总结ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标识技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee联盟制定了一个全球开放的标准，适用于设计可靠的、成本效益型、低功耗无线网络监测及其控制产品。ZigBee被业界认为是最适合于应用在
17、工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。本设计利用无线传感器技术和嵌入式开发技术，结合应用需求设计基于ZigBee/GPRS智能家居远程安防监测系统，具有一定的创新性和较好的应用价值，并具有市场应用前景。系统由监控中心、网络协调器、网络路由器和险情检测报警仪(分固定式和便携式两种)组成一个分布式无线传感网络。系统可以自组无线网络，不仅可通过便携式或固定式险情报警仪(在本系统中兼具火情、被盗、气体浓度检测和路由功能)完成家居险情检测和超限报警，而且可通过无线网络路由器中继的接力，将检测信息传输到远离现场的带有协调器节点的系统监控中心。本设计选用如下方案：1.对“基于ZigBee
18、/GPRS的智能家居远程安防监测系统”的设计进行了总结，提出了自己的方案。2.设计出各单元电路，并对各单元电路的工作原理进行了分析，其中各电路包括，STC89C52单片机单元电路，ZigBee网络拓扑结构设计，传感器电路设计。3.对整体电路进行了分析，电路的工作原理，整体电路的性能等问题。4.通过Altium Designer 2010仿真软件对电路进行设计以及对各传感器进行调试后，基本满足设计要求，完成本设计。参考文献1 张毅刚等 编著 单片机原理与应用设计 电子工业出版社 2012.2 徐君毅等 编著 单片微型计算机原理及应用 上海科学技术出版社 1988.3 陈粤初等 编著 单片机应用系统设计与实践 北京航空航天大学出版社 1991.4 杨振江等 编著 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用 西安电子科技大学出版社 2001.5 胡汉才等 编著 单片机原理及其接口技术 清华大学出版社 1996.6 刘永俊等 编著 ZigBee无线传感器网络 北京邮电大学出版社 2011.7 苏铁力等 编著 传感器及其接口技术 石油化工出版社 1998.8 黄继昌等 编著 传感器工作原理及应用实例 人民邮电出版社 1998.9 丁镇生等 编著 传感器及传感技术应用 电子工业出版社 1998.10 黄志伟等 编著 单片无线数据通信IC原理与应用 北京航空航天大学出版社 2004.
