全國大學生物聯網
設計競賽
參賽賽區： 東北賽區
參賽隊伍： 遼工驕子
參賽隊長： 秦志猛
參賽院校： 遼寧工業大學
電子與資訊工程學院
指導教師： 關維國
填寫日期： 2023年5月17日
摘要設計基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統，完成zigbee組網檢測及gprs遠端通訊設計，以stc89c52為核心，與移動通訊網路、語音電路及煙霧和溫度感測器、紅外感測器、氣體感測器相結合，通過無線節點的布網，實現火情、盜情與燃氣洩漏的實時監測，並通過gprs網路以簡訊及語音報**式及時向使用者手機進行自動報警，達到了保護人民財產及生命安全的目的，提高了現有遠端安防監測系統的功能，用於個人使用者的家庭遠端安放環境。
關鍵詞：zigbee/gprs；感測器；實時監測；自動報警。
目錄第一章基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統設計方案 4
1.1基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統設計意義 4
1.2基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統設計的研究內容及方法 5
1.2.1研究內容 5
1.2.2研究方法 5
1.3基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統設計的實驗方案 6
1.3.1硬體部分 6
1.3.2軟體部分 8
第二章基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統的單元電路設計 10
2.1 zigbee網路拓撲結構設計 10
2.2 感測器電路設計 10
第三章設計總結 12
參考文獻 13
隨著現代家居生活的不斷改善，人們對財產、人身安全的要求也越來越高，家庭防火防盜問題就成為人們極為關心的問題。安防系統不再只侷限於防盜，而且要能做到防火和防燃氣洩露（火災大多是煤氣洩漏、電器絕緣短路時沒有及時發現並處理而引起的），並即時了解和解決家中突發事件，實現家庭安全系統的智慧型化。近年來，安防檢測裝置已成為智慧型家居普遍採用的裝置，它為維護社會治安、保障百姓的生命財產安全發揮了重要作用。
而傳統的安防檢測系統在訊號檢測、訊號處理上還存在一定問題，由於採用有線連線方式，佈線繁瑣且線路容易老損．致使一些系統經常出現誤報或者漏報,以及報警系統不動作，出現報警後使用者無法及時在遠端獲取報警事件資訊。由於zigbee和gprs技術組網通訊的獨特優勢，以zigbee/gprs技術為核心搭建的無線智慧型家居系統成為目前最優秀的智慧型家居解決方案，也是幾年內智慧型家居發展的乙個重要方向。
本設計基於zigbee/gprs技術的家居安防遠端監測系統正是根據這樣的需求，通過有線連線方式公升級為無線連線方式（zigbee無線組網連線），從而達到火情、盜情與燃氣洩漏的實時監測，並通過gprs網路以簡訊及語音報**式及時向使用者手機進行報警，以便及時處理，為營造出安全的生活環境奠定了一定的基礎。本設計將研究基於stc89c52的檢測技術、zigbee的組網技術、gprs遠端通訊技術，設計一種基於zigbee/gprs的智慧型家居遠端安防監測系統，用於個人使用者的家庭遠端安放環境，實現家居智慧型化。
本設計是基於zigbee技術的無線智慧型家用防火防盜及燃氣洩漏報警系統，是以stc89c52為核心，與移動通訊網路、語音電路及煙霧感測器、紅外感測器、門磁感測器相結合，通過無線節點的布網，實時監測家庭火情、安全及家用燃氣氣體濃度來檢測是否有可燃性氣體洩漏並超過安全的範圍，如果有險情，通過zigbee終端節點把資料傳到中心協調器，通過微控制器控制移動**機模組和語音模組撥打求助**及傳送簡訊，通知家人有安全隱患，並且同時自動報警。
（1）確定方案：通過比較各種近距離無線通訊技術特點，確認了使用基於stc89c52的智慧型家居系統的可行性。
（2）硬體電路設計及除錯：針對stc89c52的引數規格和技術特性，設計出相應的外圍電路，主要由無線模組、電源模組、資料採集模組、**機模組等部分組成，並同時進行相應的除錯。
（3）選擇適合的網路協議：系統採用ti/chipcon公司的zigbee2006無線通訊協議，標準的tcp/ip協議。
（4）軟體部分設計及除錯：本系統的軟體設計部分主要是由以stc89c52為核心的mcu的中心協調器組建mesh網路部分、資料處理診斷部分、串列埠資料通訊和**語音報警部分構成，採用vc++實現，集多執行緒、資料庫處理、串列埠通訊、圖形顯示等技術為一體，並進行系統軟體除錯。
（5）根據智慧型家居發展情況和發展趨勢，設計出較為完善的基於stc89c52的安防檢測系統。
設計完成通訊距離較遠的非接觸式資料傳輸，基於zigbee技術的無線家居安防檢測原理為：由檢測器根據ieee802.15.
4通訊協議，對檢測處進行實時查詢，當各感測器檢測到有險情發生時，自動通過網路向住戶手機傳送訊息，並向報警裝置發出「喚醒」訊號，避免在住戶解決各種險情問題之前的不安定因素。
本系統設計主要包含硬體部分以及軟體部分兩方面內容。硬體部分主要包括電源電路，晶振、復位電路與ad基準電壓電路，感測器訊號調整電路，pc通訊電路。軟體部分包括網路協議部分，stc89c52除錯及控制部分。
整個系統的結構框圖如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
1.檢測電路：
包括stc89c52核心部分，微控制器輸入端，紅外感測器，煙霧感測器，燃氣洩漏檢測電路和氣體感測器自檢電路。其中，煙霧感測器應可成為 「氣—電」轉換器，用於將氣訊號轉換為電訊號。當有燃氣洩漏時，該煙霧感測器表面會發生化學吸附，使其本身電阻下降，且燃氣濃度越高，其電阻下降的越多。
氣體檢測電路連線在煙霧感測器的檢測端，通過調節電位器可以設定不同燃氣的報警線。感測器將檢測到的訊號輸出成電訊號，反饋給stc89c52核心電路，進而進行接下來的操作。
2.訊號傳送和接收：
系統工作時，終端的zigbee節點採用半功能的zigbee節點裝置，主要完成燃氣氣體濃度的採集及資料的傳送。終端節點把資料傳送給中間路由或直接傳送給**協調器，協調器會處理診斷傳來的資料，如果達到了預先設定好的濃度報警閾值，就會驅動**網路中的**機模組撥打預先設定好的**號碼，通過模擬摘掛機的方式驅動語音模組撥打設定好的**號碼，如果**佔線或無人接聽還可撥打下乙個**號碼，這樣連續迴圈撥打，直到對方摘機。如果對方摘機就會聽到預先編錄好的語音模組**的相應的語音。
如下圖2為訊號的傳送和接收框圖。
圖2訊號傳送和接收框圖
3.感測器選擇
(1)防盜採用熱釋電人體紅外感測器，該感測器是由探測元、濾光窗和場效電晶體阻抗變換器等三大部分組成，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成乙個等效的小電容。因為這兩個小電容是做在同一矽晶元上的，因此形成的等效小電容能自身產生極化，在電容的兩端產生極性相反的正、負電荷。感測器中兩個電容是極性相反串聯的。
當感測器沒有檢測到人體輻射出的紅外線訊號時，在電容兩端產生極性相反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，迴路中無電流，感測器無輸出。熱釋電紅外感測器不受白天黑夜的影響，可晝夜不停地用於監測，廣泛用於防盜報警。
(2)防火採用煙霧感測器mq-2，此煙霧感測器屬於二氧化錫半導體氣敏材料，屬於表面離子式n型半導體。當處於200~300°c溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調製而變化，就會引起表面電導率的變化。
利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的資訊，煙霧濃度越大，電導率越大輸出電阻越低。
1.節點軟體的設計：
zigbee協議棧是使用c語言編寫的，協議棧使用內部快閃儲存器程式儲存器來儲存可配置的mac位址、網路表和繫結表，因此，必須使用可自程式設計的快閃儲存器儲存器微控制器。協議棧根據zigbee規範的定義將其邏輯分為多個層。實現每個層的**位於乙個獨立的原始檔中，而服務和應用程式介面(api)則在標頭檔案中定義。
要實現抽象性和模組性，頂層總是通過定義完善的api和緊接著的下一層進行互動，該層的c標頭檔案定義該層所支援的所有api。使用者應用程式總是與應用支援子層(aps)和應用層((apl)互動。典型的應用程式總是與應用層(apl)和應用支援子層(aps)介面，apl模組提供高階協議棧管理功能，使用者應用程式使用此模組來管理協議棧功能。
aps層主要提供zigbee端點介面。應用程式將使用該層開啟或關閉乙個或多個端點並且獲取或傳送資料。aps還有乙個間接傳送緩衝器ram，用來儲存間接幀，直到目標接收者請求這些幀為止。
maces max_ data_ req_ per工od編譯時間選項定義了確切的請求時間。節點請求資料時間越長，資料報需要儲存在間接傳送緩衝器裡的時間也越長，資料請求時間越長需要的間接緩衝空間越大。
zigbee裝置物件(zdo)負責接收和處理遠端裝置的不同請求。介質訪問控制(mac)層實現了ieee 802. 15. 4規範所要求的功能，並負責同物理(phy)層進行互動。
2.利用kiel c程式設計軟體實現對微控制器以及stc89c52模組的程式設計，除錯並執行出搭建的實際電路。
3.使用iar對zigbee進行除錯，將編寫好的程式匯入晶元中。
在zigbee網路中，zigbee裝置主要有3種角色：網路協調器、路由器和終端裝置。其中網路協調器主要負責網路的建立，以及網路的相關配置;路由器主要負責找尋、建立以及修復網路報文的路由資訊，並負責**網路報文；終端裝置具有加入、退出網路的功能，並可以接收和傳送網路報文，但終端裝置不允許路由**報文。
基於Zigbee技術的智慧型照明系統
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