基于zigbee的宿舍管理系统

基于ZigBee的宿舍管理系统基于ZigBee的宿舍管理系统所在院系：通信与信息工程作者：日期：2015年5月5日基于ZigBee的宿舍管理系统1基于ZigBee的宿舍管理系统摘要本设计采用MSP430单片机作为智能宿舍系统的控制核心，配以直流电源、ZigBee无线通信、声光报警、外部存储、烟雾检测、人体检测、键盘、液晶显示等外围电路，实现了智能、自动监视宿舍的功能。在每个宿舍利用热释电传感器、烟雾传感器配以蜂鸣器和LED实现人体检测、烟雾检测和声光报警功能，选择4*4矩阵键盘实现控制功能，整个系统完整的实现了预期功能。关键字：MSP430，ZigBee无线通信，智能宿舍基于ZigBee的宿舍管理系统21引言目前，随着国内城市化的快速发展，国家在物联网智能方面的大力投入，促使国内家居在智能节能管理方面有了较大的进步，呈现出迅速发展的趋势。但目前学生公寓仍以人工管理为主，智能节能管理方面并没有获得足够的重视。为减少人力资源的投入，更大程度上保护学生的生命财产安全，发展学生公寓智能节能管理迫在眉睫。通过对国内外物联网技术的研究，借鉴国内智能家居的管理，本设计采用Zigbee短距无线通讯技术，根据学生公寓的特点与需求，设计了一套智能节能管理系统。本设计利用msp430单片机和红外传感器、烟雾传感器、气体传感器、水浸传感器、温度传器等传感设备，通过Zigbee模块连接到控制台，实现管理员对宿舍安全的远程监控、对公寓进行智能化的管理，达到及时了解宿舍安全状况和节能的目的。Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。为了满足小型、低成本设备无线联网的要求，2000年12月成立了IEEE802.15.4工作组，主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准;高层应用、测试和市场推广等方面的工作则由成立于2002年8月的联盟负责。2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范。联盟由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国Motorola公司以及荷兰Philips公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。随着Zigbee技术的不断完善，使用这项技术的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展，从而进入大规模的商业化生产和应用。到了今天，ZigBee联盟成员包括三菱电子、西门子、摩托罗拉、德州仪器、中兴、华为、飞利浦等世界知名设备供应商，其庞大而完整的产业链涵括了软件开发者、芯片制造商、服务提供商以及终端制造商。事实证明，ZigBee联盟所制订的规范正被进行广泛的应用。基于Zigbee的管理系统正迅速发展，目前，学生的宿舍系统处在普遍的安全与管理隐患，宿舍的节能也正受到关注，智能节能管理方面并没有获得足够的重视.为减少人力资源的投入，更大程度上保护学生的生命财产安全，发展学生公寓智能节能管理通过Zigbee模块连接到控制台，实现管理员对宿舍安全的远程监控、对公寓进行智能化的管理，达到及时了解宿舍安全状况提高宿舍管理的效率的目的，因此建立一个完善的宿舍管理系统迫在眉睫。基于ZigBee的宿舍管理系统32总体方案设计本设计采用Zigbee短距无线通讯技术，根据学生公寓的特点与需求，设计了一套智能节能管理系统.本设计利用msp430单片机和红外传感器、烟雾传感器、气体传感器、水浸传感器、温度传感器等传感设备，通过Zigbee无线传输模块连接到控制台（msp430控制系统），实现管理员对宿舍安全的远程监控、对公寓进行智能化的管理。本系统首先通过烟雾传感器、光电传感器、人体红外感应传感器及温度传感器等传感器采集宿舍周围的环境参数，将周围的环境变化经过信号处理传输到ZigBee无线传输模块，再由ZigBee终端将数据将数据发送到路由器，再次通过协调器将数据最终传输到控制台。而后控制台将数据进一步处理，达到数据分析的效果，然后控制台对数据分析结果进行反馈，采取相应的处理，如：数据记录、声光报警或将处理后的数据再次传输到宿舍位点作出相应的处理等，系统功能框图如图2.1所示。图3-1Zigbee终端Zigbee路由器协调器MSP430单片机传感器继电器用电器键盘液晶显示报警无线传输串口通信基于ZigBee的宿舍管理系统43硬件实现3.1整体概述硬件部分是整个系统的重要部分，硬件部分设计质量的好坏影响到整个系统的性能。本控制系统以MSP430单片机为核心，它的内部已包含定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，性能符合整个控制系统的要求，不需要外接其它芯片，整个系统结构紧凑，抗干扰性强，并且性价比高。以ZigBee无线传输为数据传输结构，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和信息处理等技术，能够实现物理世界、计算机世界以及人类社会的联通。红外传感器、烟雾传感器、光电传感器等传感设备感应周围环境的变化，达到数据采集的目的。继电器等设备可以达到很好的控制效果。系统主要模块关系如图3-1所示。图3-13.2主要模块方案论证与比较3.2.1主控制器模块方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制核心。51单片机价格便宜，应用广泛，但运算速度较低，内部资源较少，功能单一，且自身功耗相对较高，难以满足系统要求。方案二：采用16位低功耗单片机MSP430作为控制核心。它具有丰富的I/O口与外MSP430单片机烟雾传感器光电传感器人体红外感应器ZigBee无线传输模块温度传感器ZigBee终端LCD128*64键盘控制电路报警基于ZigBee的宿舍管理系统5部中断，运算速度快，为16位机，而且功耗很低。因为MSP430的功耗比51的低且其I/O口多，运算速度快，所以我们选择方案二。3.2.2ZigBee模块Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee在本系统中起到关键的信息传输的作用，主要有终端、路由器、协调器构成。3.2.3传感器模块：将周围的环境变量转化为计算机识别的数字信号或模拟信号从而达到信号采集的目的，主要涉及烟雾、水位、气体及人体的感应。烟雾传感器为MQ-2型号传感器，它具有双路信号输出（模拟量及TTL电平输出），对液化气、天然气、烟雾有较好的灵敏度，且有长期的使用寿命稳定性高。气体传感器主要由电化学传感器ME2-C0和MC101组成可采集一氧化碳及甲烷等气体变化。3.2.4继电器模块：采用HK4100F固体继电器，可控制大功率的用电器的工作，如：空调，电灯等用电器。HK4100F固体继电器性价比高，工作稳定有较长的使用寿命。而且能达到与单片机相结合的效果。3.2.5显示模块：方案一：采用LED数码管显示。数码管显示具有亮度高，颜色鲜艳，易于观察，可实时动态显示，采用CH451驱动可以大量减少占用的I/O口。但缺点是只能显示有限的数字和符号，即显示信息量小，显示内容单一。方案二：采用128X64点阵LCD液晶显示。LCD液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单，可以实现人性化、动态化的显示，使显示内容更加丰富，人机交互更加容易。鉴于LCD强大的显示功能，我们选择了方案二。3.2.6键盘模块：方案一：采用独立式按键。此类键盘采用独立键盘扫描方式，电路设计简单，编程相对容易，但对单片机资源占用较多，不利于系统整体功能的实现。方案二：采用4*4矩阵式键盘输入。矩阵键盘为行列扫描方式，在按键较多时可以大大节省I/O接口，控制方便，有利于实现系统的功能要求。由于4*4矩阵式键盘比独立式按键节省单片机I/O接口，所以我们选择了方案二。基于ZigBee的宿舍管理系统63.3硬件电路搭建3.3.1人体检测模块当检测范围内无人时，传感器输出低电平，当人体进入检测范围时传感器会产生高电平，由此可以判断宿舍内是否有人。单片机通过对IO口高低电平的检测扫描判断宿舍是否有人。热释电红外传感器电路接口图如图3-1所示：图3-23.3.2键盘控制模块由于本系统所使用到的单片机端口资源较少，端口资源充足，因而在设计键盘电路时，我们采用常用IOA0-IOA7口来做一个4*4矩阵键盘，IOA4-IOA7口作为列线，通过上拉电阻接+5V，被箝位在高电平状态，IOA0-IOA3口为行线，如图所示。对键盘的扫描过程可分为两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别是哪个键按下。对键盘的识别方法通常采用逐行（逐列）扫描法。原理图如3-3所示。图3-3基于ZigBee的宿舍管理系统73.3.3烟雾检测模块本系统采用烟雾传感器检测信号，MQ-2的灵敏度为40PPM,PPM是体积浓度表示法，一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即PPM。即当环境中烟雾颗粒浓度超过40ppm时，烟雾传感器的阻值下降很快。电源用设计的+5V直流电源供电。MQ-2气敏管A-B之间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中可降到几千欧。一旦有烟雾存在，A-B间电阻迅速减小，比较器LM339通过电位器R2所取得的分压随之增加，当正向端电压高于负向端时，比较器LM339翻转，输出端便可输出高电平触发信号，进入单片机进行处理。电路图如图3-4所示。图3-43.3.4声光报警模块考虑实用性，成本低廉，我们选择利用发光二极管和蜂鸣器组成的电路图，当烟雾传感器、热释电人体红外传感器检测到信号时，通过单片机输出低电平控制此电路已达到报警的效果。电路图如3-5所示。基于ZigBee的宿舍管理系统8图3-53.3.54软件实现4.1整体概述整个系统主要有两个程序模块构成：主系统模块（MSP430）和无线传输模块（Zigbee），两者之间可通过串口通信。由于整个系统要求实时性很高，因此系统必须快速响应输入，执行相应功能。整个系统采用模块化设计，按其功能分为不同级别的程序模块。采用中断方式，按中断优先级别实时调用相应的中断程序，满足快速响应的要求。软件总体模块，主系统部分如图4-1（a）所示，Zigbee无线传输部分程如图4-1（b）所示。图4-1主系统声光报警控制液晶显示与控制串口接受数据与发送数据处理与判断键盘读取Zigbee模块处理网络改变事件数据串口发送与接收发送网络发现事件初始化部分系统初始化（a）（b）基于ZigBee的宿舍管理系统94.2各模块具体流程图4.2.1主系统部分（1）主程序模块：包括数据区初始化、定时器初始化、串口初始化、键盘初始化、显示初始化，数据处理，液晶显示，声光报警，串口通信等部分。（2）键盘处理模块：有功能键输入时，申请中断，并判断所输入的功能；调用相应模块，完成相应的实时功能。键盘输入信息的主要过程包括三个步骤。首先CPU判断是否有键按下，然后确定按下的是哪一个键，最后把此键代表的信息翻译成计算机所能识别的代码。具体设计流程图如4-3所示：图4-34.2.2Zigbee无线传输部分5系统测试5.1测试环境模拟宿舍房间布局，成比例的制作一个系统模拟平台，并将热释电人体红外传感器，烟雾传感器等模块放在适当的位置，达到完全模拟宿舍房间的功能。并且另外模拟主控室房间。开始结束I/O口初始化返回键值确定X、Y坐标记录X、Y坐标赋予键值基于ZigBee的宿舍管理系统105.2测试方法采用先局部后整体的方法，分模块进行测试，测试成功之后将各个模块整合，进行总体测试，记录数据，并对其进行分析。分别开启各个传感器，测试各传感器的功能实现情况，并对其进行记录。5.3测试数据记录5.3.1热释红外传感器检测范围测试热释电红外传感器检测范围主要是在传感器加菲涅尔透镜的基础上进行测试，通过调节BISS0001第12管脚负反馈电阻来实现。测试数据如表5-1所示。表5-1热释电检测范围测试数据实验次序12345检测距离（m）由题目要求检测距离在5m以上因此选择10KΩ可调电阻。5.3.2烟雾传感器灵敏度测试烟雾传感器灵敏度测试主要是先确定在烟雾浓度为1000ppm的前提下，通过调节红外发射管的限流电阻来实现。测试数据如表5-