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毕业设计-基于ZigBee的温度与气体传感节点设计，共62页，30352字，附代码、开题报告等
主要内容
1.硬件部分
在室内数据采集中，采用基于ZigBee技术构建的低成本、低功耗的无线传
感器网络克服了有线传感器网络的局限性。在单一传感器节点故障后，可以依
据其他正常的传感器提供信息，从而正确反映了室内的温度，提高了采集精度
，为温室控制提供了依据。此外与现有的无线传感器网络相比，它具有节点成
本低、网络容量大和生存周期长等优点。
本设计系统由传感器模块、主控模块和射频模块CC2430、能量供应模块和
外围电路模块组成。其中传感器选用DS18B20温度传感器以及烟雾传感器MQ-2
获取参数，它们具有电路结构简单、工作稳定、检测精度高、无线数据通信灵
活等特点。
DS18B20是美国DALLAS公司的“单总线”数字温度传感器，它提供9位(二
进制)温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20
送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线(和地线)。DS18B20的电源可以由
数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS18B20在出厂时已经给定
了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上，这允许
在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20的测量范围从-55e～+125e，增
量值为0.5e，可在1s(典型值)内把温度变换成数字。DS18B20耐磨耐碰，体积小
，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡
。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气体传感器对液化气、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。

中文摘要
随着计算机技术、通信技术和自动化技术的不断发展，作为集这三种技术于一体的智能家居系统逐渐成为热门话题，智能家居行业也得到很好的发展。近几年来，智能家居系统将通信、娱乐、家电控制、安全防范、家居管理和信息服务等功能统一管理，成为现代化住宅发展的趋势，因此研究并开发出适合人们要求的智能家居系统具有非常重要的意义。
无线技术是目前组建智能家居网络的主流技术，利用它不仅摆脱了传统中用有线进行布线的繁琐和费用的昂贵，有利于保持室内美观、整齐，而且也方便安装调试和日常维护。近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，无线传感器网络成为一个在国际上备受关注的前沿热点的研究领域。它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信协议，可确保短距离通信的有效性和可靠性，以短距离、低功耗、优秀组网能力等特点在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。
ZigBee无线技术适合于组建智能家居系统，系统安装方便、扩展性好、具有很好的实用价值。整个系统包括硬件和软件设计两个部分，硬件设计由ZigBee无线模块、电源模块、终端节点模块等几部分组成。ZigBee模块采用的是Chipcon公司的CC2430芯片作为核心部件，CC2430的特性已经超过了IEEE 802.15.4标准的要求，在选择性和灵敏度上具有优异的性能。本文根据将ZigBee无线技术应用在智能家居上，重点设计了无线传感器的节点，经过试验调试最后实现了温度显示和气体检测功能，通过这些功能的实现，说明ZigBee在智能家居系统的应用上具有很重要的价值。
关键词：无线通信；智能家居；ZigBee；CC2430；DS18B20；MQ-2

目录
1 引言 1
1.1 选题背景 1
1.2 国内外研究概况 1
1.2.1 智能家居的研究概况 1
1.2.2 无线传感网络的研究概况 2
1.2.3 传感器的研究概况 3
1.3 课题研究意义 3
1.4 论文结构安排 3
2 总体设计方案 5
2.1 无线传感器网络简介 5
2.2 常用短距离无线网络技术比较 5
2.2.1 无线通信简介 5
2.2.2 短距离无线通信 6
2.3 ZigBee技术简介 7
2.3.1 ZigBee技术的主要特点 8
2.3.2 ZigBee无线网络拓扑结构 9
2.4 总体设计方案 10
2.4.1 智能家居系统整体构架 11
2.4.2 无线传感器节点结构 12
2.5 系统设计原则 13
3 硬件设计 15
3.1 传感器节点的器件选型 15
3.1.1 主控芯片的选型 15
3.1.2 温度传感器的选型 16
3.1.3 气体传感器的选型 18
3.2 传感器节点的硬件电路设计 20
3.2.1 CC2430外围电路设计 20
3.2.2 电压转换模块 24
3.2.3 RS-232串口模块 24
3.2.4 LED状态指示灯模块 26
3.2.5 通用输入/输出端口 26
3.2.6 JTAG程序调试接口 27
3.2.7 其他接口 27
3.2.8 温度传感器电路设计 27
3.2.9 气体传感器电路设计1 29
3.2.10 气体传感器电路设计2 31
4 软件设计 32
4.1 开发环境介绍 32
4.2 传感器节点的软件程序设计 33
4.3 温度传感器模块采集程序设计 34
4.3.1 DS18B20的工作原理 34
4.3.2 DS18B20的工作时序 36
4.3.3 DS18B20协议和操作命令 39
4.3.4 DS18B20运行过程设计 40
4.4 气体传感器模块采集程序设计1 41
4.5 气体传感器模块采集程序设计2 42
4.5.1 MQ-2信号采集流程 42
4.5.2 MQ-2的输入通道配置 43
4.5.3 MQ-2的分辨率配置 44
4.5.4 MQ-2的参考电压配置 44
4.5.5 MQ-2的数据转换与处理 44
5 系统测试 46
5.1 系统硬件组成 46
5.2 系统测试过程 47
5.3 系统测试结果 49
5.4 系统数据分析 49
5.4.1 温度传感器采集数据分析 49
5.4.2 气体传感器采集数据分析1 50
5.4.3 气体传感器采集数据分析2 50
6 结论和建议 52
6.1 全文总结 52
6.2 本文后续工作的展望 52
参考文献 53
附录 54
致谢 55

课题研究意义
随着科学技术的飞速发展以及人们对智能家居领域的认识实践不断深入，家居智能控制系统正向家居物联网化的方向发展。它利用先进的计算机技术、网络通讯技术、混合布线技术，将各种家用设备通过家庭网络连接到一起进行综合管理。从而优化人们的生活方式，使家居生活更加舒适、安全、有效。
针对人们对环境问题的关注度日益提高，需要采集的环境数据越来越多。无线传感器网络的出现为数据获取提供了便利，并且避免了传统的数据收集方式对环境造成的侵入式破坏，具有非常广泛的应用前景。它融合了传感器技术、计算机技术和通信技术等， 集数据采集、处理及传输功能于一体，实现了实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境参量等功能。虽然目前的传感器网络尚属于起步阶段，但因其巨大的应用前景成为当前国际上备受关注的热点研究领域。
本设计提出采用近年逐渐兴起的ZigBee无线网络来实现智能家居系统内部控制网络，旨在建立一个更为便利、舒适、高效的无线智能家居系统的模型，通过各类集成化传感器的协作，结合有线和无线的通信方式，将感知对象的信息传达给观察者，使其对家中情况状况一目了然。
论文结构安排
本文主要论述了智能家居系统中传感器节点的软件设计、硬件设计与部分实现，论文共分为六章论述，章节安排如下：
● 第一章 引言
介绍本设计的研究背景、相关技术发展背景、论文的研究内容及框架结构。
● 第二章 总体设计方案
介绍无线传感器网络的发展现状，各种典型无线传感器网络的优缺点比较，ZigBee无线传感器网络在本应用中的适用性及优势，阐述无线传感器网络系统的总体结构与无线终端节点的结构，并给出总体结构框图。
● 第三章 系统硬件设计
硬件系统采用模块化的设计方法，详细介绍了ZigBee器件的选择，主控芯片CC2430的功能特点，ZigBee主模块的结构原理，无线传感器模块的电路结构及原理，每个功能模块均给出详细的电路图。
● 第四章 系统软件设计
分别介绍了系统软件的开发工具和编程语言的选择，无线终端节点的开发过程以及各个模块的实现。
● 第五章 系统测试
　进行对系统进行无线通信测试和串口通信测试，通过电路和软件调试，最终设计完成了一个基于ZigBee的无线智能家居系统的演示系统，达到了本设计的总体要求。
● 第六章 结论和建议
对本文所做工作进行简要总结，并根据系统实现过程中发现的问题，对下一步的工作进行了预期和展望。