原標題：基于Zigbee煙霧溫濕度報警設計（PCB+代碼+教程）

基于Zigbee的煙霧溫濕度報警設計（PCB+代碼+教程）

1. 引言

在物聯網（IoT）技術飛速發展的今天，基于無線通信的智能家居設備已成為日常生活的重要組成部分。煙霧和溫濕度報警系統是家居安全設備的一種常見應用，它能在火災或異常溫濕度變化發生時及時發出警報，確保家居安全。本設計結合Zigbee無線通信技術，設計了一個基于煙霧檢測、溫濕度測量的報警系統。該系統通過Zigbee協議實現與其他設備的無線通信，能夠遠程報警并顯示環境信息。

2. 系統概述

本系統主要包括三個模塊：煙霧檢測模塊、溫濕度檢測模塊和Zigbee無線通信模塊。系統的主控芯片負責數據采集、處理、判斷并通過Zigbee發送報警信號。具體設計包括硬件部分（PCB設計）和軟件部分（程序代碼設計）。下面將詳細介紹各個部分的功能和設計過程。

3. 主控芯片型號與功能

在本設計中，主控芯片選擇的是 STM32系列微控制器。STM32是一款高性能的32位微控制器，廣泛應用于嵌入式系統。該芯片具有豐富的外設接口（包括USART、I2C、SPI等）和較強的處理能力，非常適合用于處理傳感器數據和執行復雜的任務。

常見的STM32型號：

• STM32F103C8T6：這款芯片具有72 MHz的主頻、64KB閃存和20KB SRAM，適用于中低復雜度的應用。

• STM32L151C8T6：這款芯片為低功耗系列，適合要求低功耗的應用場景，如傳感器節點等。

• STM32F407VG：這款芯片性能更強，適用于對處理速度要求較高的應用，具有更高的內存和更多的接口。

在本設計中，STM32F103C8T6被選作主控芯片。其內置的ADC模塊能夠直接連接煙霧傳感器和溫濕度傳感器，且擁有足夠的I/O口與Zigbee模塊進行通信。主控芯片的作用主要包括：

• 讀取傳感器數據

• 根據預設的條件判斷是否觸發報警

• 與Zigbee模塊通信，發送報警信息

• 控制報警指示燈和蜂鳴器等輸出設備

4. Zigbee模塊選型

Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標準的短距離無線通信技術，適用于低功耗、低數據速率、短距離的無線應用。在本設計中，選擇了 Xbee Series 2 Zigbee模塊作為無線通信模塊，主要用于實現設備間的數據交換。

• Xbee S2模塊支持Zigbee協議，并且具有強大的網絡組網功能，能夠支持點對點、點對多點的網絡結構。通過Xbee模塊，主控芯片能夠與其他設備（如手機、PC等）進行通信，實現遠程監控。

5. 煙霧傳感器選型

煙霧傳感器是本報警系統的核心傳感器之一，負責檢測環境中的煙霧濃度。在本設計中，選擇了 MQ-2 煙霧傳感器。MQ-2是一款常用的氣體傳感器，能夠檢測多種氣體，包括煙霧、甲烷、一氧化碳等。

• MQ-2的工作原理是基于半導體氣體傳感器。當煙霧濃度變化時，傳感器的電阻發生變化，通過采集電壓值的變化來判斷煙霧的濃度。

6. 溫濕度傳感器選型

為了實現溫濕度監控，本設計選用了 DHT22 溫濕度傳感器。DHT22是一款數字輸出的溫濕度傳感器，具有較高的精度，適合用于家庭環境監測。

• DHT22傳感器能夠提供溫度和濕度的數字輸出，易于與主控芯片連接。其工作原理是通過一個內置的傳感器模塊實時監測環境中的溫度和濕度，并通過單總線協議將數據傳輸給主控芯片。

7. 電路設計與PCB布局

在電路設計中，我們首先需要考慮各個模塊的電源要求、電氣接口和信號連接。根據選定的主控芯片、傳感器以及Zigbee模塊的接口要求，設計了如下電路圖：

• 主控芯片STM32F103C8T6：通過ADC通道讀取煙霧傳感器（MQ-2）和溫濕度傳感器（DHT22）的模擬和數字信號。

• Zigbee模塊（Xbee S2）：通過串口（USART）與STM32進行通信，發送報警信息。

• 蜂鳴器和LED燈：用作報警提示設備。主控芯片通過GPIO口控制。

PCB布局設計：

• 電源部分：為確保系統穩定工作，采用了3.3V低壓穩壓模塊，將5V電源轉換為3.3V供給主控芯片和Zigbee模塊。

• 信號部分：為減少噪聲干擾，信號線和電源線布局時盡量避免交叉，并將傳感器信號線布局成短且直的路徑。

• 組件布局：煙霧傳感器、溫濕度傳感器、Zigbee模塊和主控芯片分別布局在PCB板的不同區域，以減少信號干擾。

8. 軟件設計與代碼實現

在軟件部分，首先需要初始化各個外設（ADC、USART等），然后進行數據采集、處理和判斷，最后通過Zigbee模塊發送報警信息。

8.1 傳感器數據讀取

煙霧傳感器的輸出是模擬信號，因此我們需要通過STM32的ADC模塊讀取其電壓值：

int smoke_value = 0;
smoke_value = ADC_Read(SMOKE_SENSOR_PIN);

**溫濕度傳感器（DHT22）**使用單總線協議進行數據傳輸，因此需要使用相應的庫進行數據讀取：

float temperature = 0;float humidity = 0;
DHT22_Read(&temperature, &humidity);

8.2 數據判斷與報警觸發

在獲取傳感器數據后，我們需要判斷是否滿足觸發報警的條件。例如，當煙霧濃度超過某個閾值時，觸發報警：

if (smoke_value > SMOKE_THRESHOLD) {
    Trigger_Alarm();
}

同樣，溫濕度數據也可以設置報警條件：

if (temperature > TEMP_THRESHOLD || humidity > HUMIDITY_THRESHOLD) {
    Trigger_Alarm();
}

8.3 Zigbee模塊數據發送

通過USART接口將報警信息發送給Zigbee模塊：

USART_SendData(USART1, "ALARM: Smoke or Temperature exceeded threshold");

8.4 報警輸出

當觸發報警時，控制蜂鳴器和LED燈發出警報：

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_PIN_LED);
GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_PIN_BEEP);

9. 調試與測試

在完成硬件設計和軟件編寫后，需要進行系統的調試和測試。常見的調試步驟包括：

• 硬件調試：檢查各個模塊的電氣連接是否正確，確認電源電壓和信號的穩定性。

• 軟件調試：使用調試器（如ST-Link）進行單步調試，查看傳感器數據是否正確讀取，Zigbee通信是否正常。

• 系統測試：模擬不同環境條件（煙霧濃度、溫濕度變化）進行測試，確認報警功能的有效性。

10. 總結

本設計通過結合Zigbee無線通信、STM32微控制器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器，實現了一種智能煙霧溫濕度報警系統。系統能夠實時監測環境狀態，并通過Zigbee無線網絡向用戶發送報警信息，確保家居安全。在實際應用中，系統還可以進一步擴展，例如增加更多的傳感器、優化報警策略或加入云端監控等功能。