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基于ZigBee技术的家庭环境监测系统的设计.pdf

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第 21卷 第 2期  电 脑 开 发 与 应 用  文 章 编 号 :1003—5850(2008)02 0055—03  基 于 ZigBee技 术 的家庭 环 境监 测 系统 的设 计  Design of M onitoring System  for H om e Environm ent based on ZigBee Technology  贾  飞  夏路 易  (太 原 理 工 大 学  太 原 030024)  【摘  要】主要介 绍基 于 ZigBee技术 的射 频芯 片 CC2420与 MSP430449单 片机 为核 心 的家庭环境 监测 系统 的硬  件 电路设计 和软 件流 程设计 。实现 了在 家庭环 境 中对温 度、 湿度 以及 灯光 的控 制。  【关 键 词 1 ZigBee,CC2420,M SP430F449,环 境 监 测 系统  中 图分 类 号 :TP311  文献 标 识 码 :A  ABSTRACT  T he paper m ainly introduces the designs of hardw are circuits and softw are flow for one m onitoring system of hom e  environm ent by using CC2420 transceiver and M SP 430449 single chip controller based on ZigBee technology. Controls of  tem perature, hum idity and light are achieved by the system in the hom e environm ent.  K EYW ORDS  ZigBee, CC2420, M SP430F449, environm ental m onitoring system  随着科 学技 术 的飞速 发展 ,人 们 生活水 平 的不 断  提 高 ,一个 高度 安全 ,舒 适 ,方便 的生 活环 境 越来 越 为  人 们所 向往 。而 自动控 制领域 的快速 发展 ,使这 些要求  完 全被满 足 。现 有的家庭 环境 监测 系统 ,有很多 是采 用  有 线技术进 行传 感器 网络 的组 建 。这 类方 案扩 展性 能  差 ,布线烦 琐 ,影 响美观 ,线路 容易老 化 ,或腐 蚀 。即使  布线 选择嵌 入墙壁 内 ,更 换起来 也十 分不方 便 。采用无  线 方式 构建 家庭 环境 监测 系 统 ,则 可 以避免 这 些 不必  要 的麻 烦 。而且 ,无 线方式 相对 灵活 ,只要 在有效 范 围  内,传 感器终 端可 以依据要 求 随意安放 。然 而 ,无 线家  庭 环 境监 测一 直未 得 到广 泛 应用 ,一 个很 主 要 的原 因  就是 目前 的无 线通 讯 产 品造价 很 高 ,使其 广 泛 推广 遇  到 很 大 阻 力 。  随着 近年来 人类 在微 电子机 械系统 ,无线 通讯 ,数  字 电子 方 面取 得 的 巨大 成 就 ,使 得 发展 低 成 本 ,低 功  耗 ,小体积 ,短距 离通讯 的传 感器成 为可 能 。ZigBee的  出现就解 决 了这 些 问题 。由于 ZigBee技术 具 有功耗极  低 ,系统简 单 ,组 网方式灵 活 ,成本低 等性 能 ,相 对于 其  他无 线 网络技术更 适合 与组建 家庭 环境监 测 系统 。  1  ZigBee简 介  随着无 线 网络 技 术 的快 速 发 展 许 多 本来 存 在 的  网络 服务逐 渐走 向成熟 。近几 年来 ,IEEE(Institute of  Electrical and Electronics Engineer)802.1 1无线 局域  网 络 的普 遍 以 及 IEEE 802.16无 线 宽 带 网 络 的 商业  标准化 都 使得 无线 网 络技 术越 来 越 重要 ,也 有 越来 越  多的相关 应用 和产 品出现 。但是 大多无 线 网络技术 成  本较高 。像 蓝牙 。所 以普及 无线 网络 ,低 成本 就成 了一  个 至关重 要 的问题 。为 了满 足低 功耗 、低 成本 的无线 网  络要 求 ,IEEE标 准委 员会 在 2000年 12月份 正式批 准  并 成立 IEEE802.15.4工作 组 ,任 务 就是 开 发 一 个低  数据 率 的 WPAN(LR—WPAN)(无 线个域 网 )标 准 。它  具 有复 杂度 低 、成本 极 少 、功耗 很 小 的特 点 ,能 在 低成  本设 备 (固定 、便 携 或可 移 动 的)之 间进 行 低数 据 率 的  传输 。  因此 ,ZigBee应 运 而生 ,ZigBee是 部 署 无 线 传 感  器 网络 的新 技术 。它 是一 种短 距离 、低 速率无 线 网络  技 术 ,是 一种 介 于 无线 标 记 技 术 和 BlueTooth(蓝 牙 )  之 间 的技术提 案 。它专 注于低功 耗 、低 成本 、低复杂 度 、  低 速率 的近程 无线 网络通 信技术 。ZigBee联 盟成立 于  2001年 8月 ,到 目前 为止 ,ZigBee联盟 涵盖 了 IT领 域  以及 其 他行业 的 150多家 企业 。有 了这么多 公司 的支  持 ,可 以毫不 夸张地 说 :“在 未来 的数年 内 ,从家 用 电器  到 玩 具 、从 工 厂 控 制 到汽 车 控 制 ,ZigBee技 术 将 走入  我们 生活 的方 方面面 。”  2  ZigBee技 术 优 点  ① 数据 传输 速率 低 。只有 10kb/s~ 250kb/s,专注  于低传 输应 用 。无 线传 感器 网络不 传输语 音 、视 频之类  的大数 据量 的采集 数据 ,仅 仅传输 一些采 集到 的温度 ,  湿 度之 类 的数 据 ,所 以 WSN(无线传 感器 网络 )对 传输  速 率 的需要 不是那 么 高 。  ② 功耗 低 。在休 眠状 态 下耗 电量 仅仅 只有 1 w ,  通 信距 离 短 的情 况 下工 作 状态 的耗 电为 30mW ,在 低  耗 电待 机模 式 下 ,两 节普通 5号 干 电池 可使 用 6个 月  以上 。这也 是 ZigBee的支持者 所一直 引 以为豪 的独 特  *  2007—10—16收 到 ,2007—12—29改 回  * *  贾  .女 ,1982年 生 .在读 硕 士 ,研 究 方 向 :控 制 理 论 与控 制 工 程 。  维普资讯 http://www.cqvip.com 基 于 ZigBee技 术 的家 庭 环 境 监 测 系 统 的 设 计  优 势 。  ⑧成本 低 。因为 ZigBee数据 传输 速率 低 ,协议 简  单 ,所以大 大降低 了成本 ,这也 正是蓝 牙 系统所 不具备  的。无 线传感 器 网络 中可 以具有 成千上 万 的节点 ,如果  不能 严格 地控 制 节点 的成 本 ,那 么 网络 的规 模 必将 受  到严重 的制 约 ,从 而将严重 地 制约 WSN 的强大 功能 。  ④ 网 络 容 量 大 。 每 个 ZigBee网 络 最 多 可 支 持  65 000个 节点 ,也就 是说 每个 ZigBee节 点 可 以与数 万  节点 相连接 。由于 WSN 的能力很 大 程度上 取 决 于节  点 的多少 ,也 就 是 说可 容 纳 的 传感 器 节 点越 多 ,WSN  的功能越 强 大 。所 以 ZigBee的 网络容量 大 的特 点非 常  符 合 WSN 的需 要 。  ⑤ 有 效 范 围小 。有 效 覆 盖 范 围在 10m~ 75m 之  间,但是 可以扩展 到数 百米 ,具 体依 据实 际发射 功率 的  大 小和 各种 不 同 的应 用 模式 而 定 ,基本 上 能够 覆 盖普  通 的家庭或 办公 室环境 。  ⑥ 工 作频 段 灵 活 。使 用 的频 段 分 别 为 2.4GHz、  868MHz(欧洲 )及 915MHz(美 国 ),均为 免 执 照频 段 ,  具 有 16个 扩频通 信信 道 。  ⑦安全 。ZigBee提 供 了数 据完整 性检查 和鉴 权功  能 ,硬件本 身支持 CRC和 AES—l28。  ⑧ 自动 动态组 网 、自主路 由 。WSN 网络 是动 态变  化 的 ,无 论是 节点 的能量 耗 尽 ,或 者 节点 被 敌人 俘 获 ,  都 能使节点 退 出网络 ,而且 ,可以 向已有 的网络加 入新  的传 感器节 点 。这就希 望 WSN 能具有 动态组 网 、自主  路 由 的功 能 ,而 ZigBee技 术就 正好 能 解决 了 WSN 的  这 一 需 要 。  3 系统 方 案 设 计  号 以无 线 的方式 发 射 出去 。另一 方 面接 受 采集 数据 并  上传 给 PC 机 。  湿 度 传 感 器  温 度 传 感 器  灯 光 控 制 器  图 1 数据 采 集 端  2 数 据 接 收端  如 图 1所 示 ,主 控 M CU 选 择 的 是 M SP430F449  单 片机 ,选择 该 芯 片 的原 因是 该芯 片 是一 种 超低 功 耗  的 单 片 机 ,具 有 SPI通 讯 方 式 和 6个 I/O 口。采 用  CC2420的 原 因是 CC2420支 持 ZigBee,是 一 款 低 成  本 ,低 功 耗 ,高 性 能 的 无 线 收 发 芯 片 。其 工作 频 段 为  2.4GHz的 ISM 频 段具 有 良好 的无 线接 收灵敏 度和强  大 的抗干扰 能力 ,正常 工作 时需要 的外 围功 能电路少 ,  与 主控 制器 接 口简 洁 ,CC2420的选 择 性 和敏 感 性指  数超 过 了 IEEE 802.15.4标 准 的要 求 ,可确 保短 距 离  通 信 的有效性 和 可靠性 。利用 此芯 片开 发 的无线 通信  设 备 支 持数 据 传 输 率 高达 250kb/s,可 以 实现 多点 对  多点 的快 速组 网。对 CC2420的控制 和操作 十分 方便 。  ② 软 件设 计 。系统 的 软件 由 c语 言编 写 ,主要 包  括 数据 采集端 和数 据接 收端 的程序 。其包 括初始 化程  序 ,发 射程 序 和接 受程 序 。初始 化 程 序 主要是 对 单 片  机 .无 线 收 发芯 片 ,SPI等 进行 处 理 ;发 射程 序 将 建 立  好 的数 据 包通 过单 片 机送 至 无线 收 发芯 片输 出 ;接 受  程序 完成 数据 的接受 并进行 处理 。下面将 给出数据采  集端 和数 据发送 端 的软件 流程 图 。如 图 3、图 4所示 。  在 基于 ZigBee技 术 的家庭 环境监 测 系统 中 ,数据  采 集终端 包括 温度传感 器 ,湿度传感 器 和灯光 调节器 。  其 中温度传 感 器可 测量 室 内温 度 ,将测 量 的温 度 发送  给 MCU,MCU 将数 据通 过 SPI总 线传递 给 无线 收 发  芯 片 ,无线 收 发芯 片将 数据 以无线 的方 式 发 送给 数据  接 收端 。湿度传感 器类 似 。数据接 收端接 到数据 后 由  MCU 处 理数 据 :如果 温 度 ,湿 度 正 常 ,液 晶显 示 该 温  度和 湿度 ;如果 温度 值 超过 指定 范 围 长达 某个 设 定 时  间长度 ,报警 (蜂 鸣器 )。且液 晶显示 该温度 .湿度类 似 。  实 时时钟 显示数据 采集 的时 间 。  ① 硬件平 台设计 。系统 主要 由数 据采集 端 和数据  接 收端构 成 。数据 采集 端 由传感 器 。MCU 和无线 收发  芯 片组成 。MCU 与无线 收发芯 片通 过 SPI总线连 接 ,  二 者构成 无线传输 模块 数据接 收端 采用相 同 的无 线收  发 模块 ,并 利用 RS232与 PC机通讯 。其功 能相 当于一  个 接人 点 ,一方 面将 主 机 向数据 采集 端 发送 的控 制信  —   ,  —r   图3 数 据 采 集 端 软 件 流 程  (下 转 第 59页 )  维普资讯 http://www.cqvip.com 第 21卷 第 2期  电 脑 开 发 与 应 用  语 音 起 始 状 态 设 定 为 静  音 段 ,首 先读 取前 5~10帧 静  音 段 幅度差 信息 ,计算平 均 值  并 更新 幅度差 的低 门限阈值 。  其 次 当语 音 从 静 音 段进 入 过  渡段 后 ,根 据 前 3~5帧 过 渡  段 幅度 差信息 的平 均值 ,完 成  幅度差 高门限 阈值 的更 新 。从  而根 据 后 续 状 态 转 移情 况就  可 以不 断完成 幅度 差值 高 、低  门限阈值 的 自适 应更新 工作 。  3.2  自 适 应 端 点 检 测 算 法  自适 应 端 点 检 测 算 法 如  图 3所 示 。  4 端点检测结果及分析  一 l  !  ——丁 一   根 据 门 限 判 断语   音 下 一 帧 的状 态  N  大 于 幅 度差  或 过 零 间 隔  I Y  处 于 过 渡段  判 断 下 一帧  N  大 于 幅度 差  或 过零 间隔  Y  自适应更 新 的方法 对 阈值 门 限进 行 了调整 。因此 相同  实 验条 件 下 ,自适应 门限 端点 检 测方 法 的正 确 率高 于  传 统 固定 门 限端点 检 测方 法 的正 确 率 ,从 而 证 明 自适  应 门 限端 点检 测 的方法能 够在嵌 入式 系统设 备上较 为  可靠 的工 作 。  参 考 文 献  [1] Li qi, Zheng Jinsong,Tsai Augustine. Robust  endpoint detection and energy norm alization for real—  time speech and speaker recognition [J]. IEEE  Transactions  on  Speech  and  A udio  Processing,  M arch, 2002, 10(3):146—157.  [2]  王 炳 锡 ,张 连 海 .利 用 语 音 的上 升 过 零 间 隔 的 语 音识 别  [J].信 息 工 程学 院学 报 .1 998,1 7(1):6-11.  [3]  陈 德 锋 .嵌 入 式声 控 拨 号 器 的设 计 与 实 现 _J].电声 技  术 .2005(1 2):38—43.  实 验 分 别 对 英 文 字 母 和  阿拉 伯数 字 语 音 信号 进 行 自  适应 双 门限端点 检测 ,利 用得  到 的 结 果 和 手 工 标 注 得 到 的  结 果 (利用 Matlab作 为辅 助  分析 工 具 得 到 )进 行 对 比,并  且 做 出 评 价 ,评 价 标 准 为 :检  测得 到 的端 点 区 间范 围应 该  图 3 自适 应端 点检  测 算 法  在手 工标 注端 点 区 间范 围 的基础 上 ,向外扩 展 不 超过  5帧 ,视 为命 中 ,当抽样 率 为 8kHz,帧 移 80点 ,即每秒  通过 100帧的基 础上 ,偏差 最大 不 超过 5  ,如 果其 置  信 区间在手工 标注 置信 区间 的基 础上 整体左 移或 者右  移 3~5帧 ,则 视为误 判 。采取 向外扩 展搜索 策略 是基  于 如 下 的 考 虑 :  ①保 证语 音端 点包 含在 置信 区 间 内,使后 续识 别  阶段所采 用 MFCC、DTw 的算 法能 够正确 执行 ;  ② 向外扩 展 偏 差设 定 5  的 限度 ,使 偏 差 处 在 规  定 范 围内 ,从而 保证准 确识别 端点 ,同时确保后 续计 算  量 不至 于过大 。  表 1给 出 了在 相 同测 试数 据 和测 试 环境 下 。分 别  采 用 自适应 门限 和固定 门 限方 法进 行 端 点检 测 时 .得  到 的 比较 结 果 。  表 1  自适 应 门限 和 固 定 门 限 端点 检测 的正 甓 率  门 限 类 型  字 符类 型  个 数 位 千 置  偏 离置  正 确 率  信  I蜀  信  问  皇适 直 门 限  英 文字 母 A一一  24  2  端 点 揎删 阿 拉 伯 数 宇 3组  ~ 10  30  29  l  95。8  1  96.6  围 定  裂  英 文字 母 (A~ Z)  :4  21  4  83.3%  端 点 捡测 阿 拉 伯 数 字 3组 (1一一lO)  30  27  3  9O  通 过表 l的 比较 ,发 现 自适 应 门 限端 点检 测 技术  和 传统 的 同定 门限端 点 检测 技 术相 比 ,由于前 者 采 用  (上 接 第 56页 )  二  二  r———————  }  譬  l N 一— — ———  L—  厮 ]  图 4 数 据 接 收 端 软 件 流 程  4 结 论  利 用 TI公 司 的 M SP430F449和 CC2420设 计 的  家 庭 环境 监测 系统 不 仅 可 以用 在家 庭 中 ,也 可 以用 于  医院环境 监测 、农业 环境监 测 、工业环境 监测 等等 。只  需 将传感 器换 成可 以完成 特殊要 求 的即可 。相信通 过  ZigBee的爱好 者 努力 一 定 能将 ZigBee推 向一个 新 的  研 发 高 峰 。  参 考 文 献  [1]  赵 景 宏 ,李 英 凡 .许 纯 信 .ZigBee技 术 简 介 _J].电 力 系  统 通 信 ,2006.27(1 65):54—56.  [2]  刘  静 ,赵望 达 .基 于 ZigBee技 术 的 火 灾 报 警 系统 设  计 rJ].单 片 机 与 嵌 入式 系统 应 用 。2007(1):56—58.  [3]  杨  赓 .Zigbee无 线 传 感 器 列 络 的 研 究 与 实 现 D].  杭 州 :浙 江 大 学 ,2006.  [4]  陈 淑 娟 .无 线 智 能 家 居 控 制 『蜘络 设 计 及协 议 研 究 [D].  大 连 :大 连 海 事 大 学 .2005. 

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