zigbee技术的室内环境监测系统设计制作
目录
一.引言 5
（一）系统设计的背景.5
（二）无线网络技术简单介绍.5
（三) 系统设计预期目标 5
二．硬件设计6
（一）ZigBee技术介绍6
硬件电路设计 7
1.系统模块. 7
2.系统各模块功能. 8
组成模块 8
1.电源电路. 8
2.Zigbee 节点最小系统 9
3.环境检测模块 11
4.显示模块 13
三.软件设计方案15
（一） zigbee的无线通信协议15
（二） 温湿度传感器程序.15
烟雾传感器程序以及流程图. 18
光敏传感器程序. 19
四.设计效果功能测试20
（一）实物制作20
（二）功能检测20
1．硬件检测.20
2．软件检测.21
3．测试数据分析.21
总结.23
致谢.24
附录A系统原理图.25
附录B实物图.27
附录C系统程序.28
一 引言
（一）系统设计的背景
博物馆的许多藏品，由于材料的特殊性和长久保存的必备条件，对环境有较高的要求。自然环境中有许多因素会对文物产生影响，比如光照，温度，湿度，一些有害气体。而且当这些因素处在一个临界状态时，比如空气的湿度较大可能就会让一些青铜器铁器产生化学变化。
现阶段国内博物馆的环境监测主要依靠的是人工巡逻加上一些传统报警装置实现。缺点是当人员不足或人员离开现场时，报警信息无法及时传递 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
到位，可能导致博物馆无法挽回的损失。如果能对博物馆进行远程监测，即在工作人员不在现场时也能实时掌握馆内的环境信息，对于提高博物馆的环境质量和安全系数及管理效率是非常有意义的。
（二）无线网络技术简单介绍
要实现远程监测，就必须要依赖无线网络技术。目前，随着科技的迅速发展，常见的无线通信技术主要有以下几种：
1．蓝牙技术 蓝牙技术就是一种短距离开放式的无线通信技术，是由爱立信等科技公司共同提出的近距离无线数据通讯技术。蓝牙技术活跃在前几年，因为它的功耗低，比较安全，而得到人们喜爱，但是它的传输速率不是特别好，而且范围不是特别广，在这个要求速度的时代下，可能不具备较多的优势。
2．WIFI技术 WIFI也叫WLAN，主要用于热点地带的互联网接入。具有WIFI功能的手机可以 用WIFI接入互联网，就像蓝牙等技术一样，是种接入手段。WIFI技术在现实生活中的应用还是比较广泛的，它的传输速率比较高，符合人们需求，它主要在无线路由器的覆盖范围下都可以接入互联网，是种便捷的技术。但是不是每个地区都被覆盖，它的发展还是有较大的前景。
3．Zigbee Zigbee技术是一种短距离之内的低速率传输的无线技术。它是受到蜜蜂发现食物通过舞蹈的方式向同伴传递信号的方法，借此来命名的一种无线技术。数据传输速率低，功耗较低两节电池就可以工作几个月的时间，价格便宜，网络容量比较大，使用简单。
据上述三种技术特征，结合博物馆环境监测的实际任务需求，本方案拟采用Zigbee技术为主要支撑手段，完成一款室内环境监测系统方案设计。
（三）系统设计预期目标
环境监测系统要求拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便适用，针对博物馆室内环境的特殊要求，本设计方案要求具备以下特点：
1．多点监测:多点就是可以多重地点的进行测试，在不同的地方放置传感器，对各个位置的数据都能有效的收集。
2．多因素监测：环境检测中当然不可以只考虑到一种因素，应该结合文物保存主要的因素进行检测，例如光照，温度这些都需要考虑到。
3．远程监测：作为一个监测系统应该能具有远程监控的特点，这样才能发挥此类监控的优势，管理人员只需在监测终端观察监控数据即可；
4．系统简单灵活 ；在博物馆中展示的文物位置有特殊的要求，远程监控就需要更大的灵活性，比如传感器需要占用空间小，外表美观，不影响文物的外观和博物馆的整体布局。
5．持续长期监控；系统具备长期持续监控的特点，一年365天，一天24小时，一小时60分钟，一分钟60秒，每秒都要监控到，同时监控数据需要长期作为档案保存。
二．硬件设计
（一） ZigBee技术介绍
Zigbee技术是传输距离较短的设备之间的低速率传输技术。这种技术是从蜜蜂之间的通信方法得来的命名。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是2.4G 频率，使用跳频技术，和蓝牙技术属于同宗。
根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。他们责任如下：
协调器：（coordinator）主要用于无线网络的建立和维护。
路由器：（router）主要用于无线网络数据的路由。
终端：（end）主要用于数据的采集。
本设计主要用Zigbee星形拓扑结构如图1所示：
图1 Zigbee星形拓扑结构
(二)硬件电路设计
硬件电路设计部分根据无线传感器网络星型拓扑网络特点，主要由协调器和若干个终端节点组成，整个系统中采用两块ZigBee的模块板，ZigBee模块集成51内核可以作为单片机，连接传感器之后与另外一个ZigBee模块之间实现无线通信，通过电脑可以实时的观察数据，从而实现设计功能。协调器为主导核心，由它建立网络，主导网络正常工作。协调器应配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、程序存储、设备控制等功能。协调器与PC 机相连，通过PC 机串口来保存和显示相应信息。
图2 无线传感器组网方式
终端节点由各种传感器节点组成，把采集的环境数据发送到协调器。终端节点只能和协调器或路由器进行通讯。无线传感器组网方式如图2所示。
1.系统方案
本次设计主要运用ZigBee技术通过无线传感器的网络对环境进行检测，以ZigBee技术的标准，设计多个协调器节点和放置传感器，通过PC端整合组成这样的系统检测方式。在整个系统内，通过无线网络技术传感器和协调器进行信息交换；通过各个系统之间的串口进行数据的传递，实现相互通讯。系统主要方案如图3所示：
无线传感器的节点由电源，微处理模块，无线通讯模块传感器这几部分构成。为了简化射频电路设计，微处理器和无线通信模块采用支持ZigBee协议的方法。在本文中传感器模块采用集成温度湿度传感器DHT11型号，烟雾传感器是MQ-2型号，光敏电阻作为光照强度传感器，由5V直流电进行供电。
（三） 烟雾传感器程序以及流程图
本文中将检测的烟雾浓度信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，浓度强弱的显示，这是主要要解决的问题。
一.引言 5
（一）系统设计的背景.5
（二）无线网络技术简单介绍.5
（三) 系统设计预期目标 5
二．硬件设计6
（一）ZigBee技术介绍6
硬件电路设计 7
1.系统模块. 7
2.系统各模块功能. 8
组成模块 8
1.电源电路. 8
2.Zigbee 节点最小系统 9
3.环境检测模块 11
4.显示模块 13
三.软件设计方案15
（一） zigbee的无线通信协议15
（二） 温湿度传感器程序.15
烟雾传感器程序以及流程图. 18
光敏传感器程序. 19
四.设计效果功能测试20
（一）实物制作20
（二）功能检测20
1．硬件检测.20
2．软件检测.21
3．测试数据分析.21
总结.23
致谢.24
附录A系统原理图.25
附录B实物图.27
附录C系统程序.28
一 引言
（一）系统设计的背景
博物馆的许多藏品，由于材料的特殊性和长久保存的必备条件，对环境有较高的要求。自然环境中有许多因素会对文物产生影响，比如光照，温度，湿度，一些有害气体。而且当这些因素处在一个临界状态时，比如空气的湿度较大可能就会让一些青铜器铁器产生化学变化。
现阶段国内博物馆的环境监测主要依靠的是人工巡逻加上一些传统报警装置实现。缺点是当人员不足或人员离开现场时，报警信息无法及时传递 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
到位，可能导致博物馆无法挽回的损失。如果能对博物馆进行远程监测，即在工作人员不在现场时也能实时掌握馆内的环境信息，对于提高博物馆的环境质量和安全系数及管理效率是非常有意义的。
（二）无线网络技术简单介绍
要实现远程监测，就必须要依赖无线网络技术。目前，随着科技的迅速发展，常见的无线通信技术主要有以下几种：
1．蓝牙技术 蓝牙技术就是一种短距离开放式的无线通信技术，是由爱立信等科技公司共同提出的近距离无线数据通讯技术。蓝牙技术活跃在前几年，因为它的功耗低，比较安全，而得到人们喜爱，但是它的传输速率不是特别好，而且范围不是特别广，在这个要求速度的时代下，可能不具备较多的优势。
2．WIFI技术 WIFI也叫WLAN，主要用于热点地带的互联网接入。具有WIFI功能的手机可以 用WIFI接入互联网，就像蓝牙等技术一样，是种接入手段。WIFI技术在现实生活中的应用还是比较广泛的，它的传输速率比较高，符合人们需求，它主要在无线路由器的覆盖范围下都可以接入互联网，是种便捷的技术。但是不是每个地区都被覆盖，它的发展还是有较大的前景。
3．Zigbee Zigbee技术是一种短距离之内的低速率传输的无线技术。它是受到蜜蜂发现食物通过舞蹈的方式向同伴传递信号的方法，借此来命名的一种无线技术。数据传输速率低，功耗较低两节电池就可以工作几个月的时间，价格便宜，网络容量比较大，使用简单。
据上述三种技术特征，结合博物馆环境监测的实际任务需求，本方案拟采用Zigbee技术为主要支撑手段，完成一款室内环境监测系统方案设计。
（三）系统设计预期目标
环境监测系统要求拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便适用，针对博物馆室内环境的特殊要求，本设计方案要求具备以下特点：
1．多点监测:多点就是可以多重地点的进行测试，在不同的地方放置传感器，对各个位置的数据都能有效的收集。
2．多因素监测：环境检测中当然不可以只考虑到一种因素，应该结合文物保存主要的因素进行检测，例如光照，温度这些都需要考虑到。
3．远程监测：作为一个监测系统应该能具有远程监控的特点，这样才能发挥此类监控的优势，管理人员只需在监测终端观察监控数据即可；
4．系统简单灵活 ；在博物馆中展示的文物位置有特殊的要求，远程监控就需要更大的灵活性，比如传感器需要占用空间小，外表美观，不影响文物的外观和博物馆的整体布局。
5．持续长期监控；系统具备长期持续监控的特点，一年365天，一天24小时，一小时60分钟，一分钟60秒，每秒都要监控到，同时监控数据需要长期作为档案保存。
二．硬件设计
（一） ZigBee技术介绍
Zigbee技术是传输距离较短的设备之间的低速率传输技术。这种技术是从蜜蜂之间的通信方法得来的命名。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是2.4G 频率，使用跳频技术，和蓝牙技术属于同宗。
根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。他们责任如下：
协调器：（coordinator）主要用于无线网络的建立和维护。
路由器：（router）主要用于无线网络数据的路由。
终端：（end）主要用于数据的采集。
本设计主要用Zigbee星形拓扑结构如图1所示：
图1 Zigbee星形拓扑结构
(二)硬件电路设计
硬件电路设计部分根据无线传感器网络星型拓扑网络特点，主要由协调器和若干个终端节点组成，整个系统中采用两块ZigBee的模块板，ZigBee模块集成51内核可以作为单片机，连接传感器之后与另外一个ZigBee模块之间实现无线通信，通过电脑可以实时的观察数据，从而实现设计功能。协调器为主导核心，由它建立网络，主导网络正常工作。协调器应配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、程序存储、设备控制等功能。协调器与PC 机相连，通过PC 机串口来保存和显示相应信息。
图2 无线传感器组网方式
终端节点由各种传感器节点组成，把采集的环境数据发送到协调器。终端节点只能和协调器或路由器进行通讯。无线传感器组网方式如图2所示。
1.系统方案
本次设计主要运用ZigBee技术通过无线传感器的网络对环境进行检测，以ZigBee技术的标准，设计多个协调器节点和放置传感器，通过PC端整合组成这样的系统检测方式。在整个系统内，通过无线网络技术传感器和协调器进行信息交换；通过各个系统之间的串口进行数据的传递，实现相互通讯。系统主要方案如图3所示：
无线传感器的节点由电源，微处理模块，无线通讯模块传感器这几部分构成。为了简化射频电路设计，微处理器和无线通信模块采用支持ZigBee协议的方法。在本文中传感器模块采用集成温度湿度传感器DHT11型号，烟雾传感器是MQ-2型号，光敏电阻作为光照强度传感器，由5V直流电进行供电。
（三） 烟雾传感器程序以及流程图
本文中将检测的烟雾浓度信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，浓度强弱的显示，这是主要要解决的问题。
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