原标题：基于Zigbee烟雾温湿度报警设计（PCB+代码+教程）

基于Zigbee的烟雾温湿度报警设计（PCB+代码+教程）

1. 引言

在物联网（IoT）技术飞速发展的今天，基于无线通信的智能家居设备已成为日常生活的重要组成部分。烟雾和温湿度报警系统是家居安全设备的一种常见应用，它能在火灾或异常温湿度变化发生时及时发出警报，确保家居安全。本设计结合Zigbee无线通信技术，设计了一个基于烟雾检测、温湿度测量的报警系统。该系统通过Zigbee协议实现与其他设备的无线通信，能够远程报警并显示环境信息。

2. 系统概述

本系统主要包括三个模块：烟雾检测模块、温湿度检测模块和Zigbee无线通信模块。系统的主控芯片负责数据采集、处理、判断并通过Zigbee发送报警信号。具体设计包括硬件部分（PCB设计）和软件部分（程序代码设计）。下面将详细介绍各个部分的功能和设计过程。

3. 主控芯片型号与功能

在本设计中，主控芯片选择的是 STM32系列微控制器。STM32是一款高性能的32位微控制器，广泛应用于嵌入式系统。该芯片具有丰富的外设接口（包括USART、I2C、SPI等）和较强的处理能力，非常适合用于处理传感器数据和执行复杂的任务。

常见的STM32型号：

• STM32F103C8T6：这款芯片具有72 MHz的主频、64KB闪存和20KB SRAM，适用于中低复杂度的应用。

• STM32L151C8T6：这款芯片为低功耗系列，适合要求低功耗的应用场景，如传感器节点等。

• STM32F407VG：这款芯片性能更强，适用于对处理速度要求较高的应用，具有更高的内存和更多的接口。

在本设计中，STM32F103C8T6被选作主控芯片。其内置的ADC模块能够直接连接烟雾传感器和温湿度传感器，且拥有足够的I/O口与Zigbee模块进行通信。主控芯片的作用主要包括：

• 读取传感器数据

• 根据预设的条件判断是否触发报警

• 与Zigbee模块通信，发送报警信息

• 控制报警指示灯和蜂鸣器等输出设备

4. Zigbee模块选型

Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的短距离无线通信技术，适用于低功耗、低数据速率、短距离的无线应用。在本设计中，选择了 Xbee Series 2 Zigbee模块作为无线通信模块，主要用于实现设备间的数据交换。

• Xbee S2模块支持Zigbee协议，并且具有强大的网络组网功能，能够支持点对点、点对多点的网络结构。通过Xbee模块，主控芯片能够与其他设备（如手机、PC等）进行通信，实现远程监控。

5. 烟雾传感器选型

烟雾传感器是本报警系统的核心传感器之一，负责检测环境中的烟雾浓度。在本设计中，选择了 MQ-2 烟雾传感器。MQ-2是一款常用的气体传感器，能够检测多种气体，包括烟雾、甲烷、一氧化碳等。

• MQ-2的工作原理是基于半导体气体传感器。当烟雾浓度变化时，传感器的电阻发生变化，通过采集电压值的变化来判断烟雾的浓度。

6. 温湿度传感器选型

为了实现温湿度监控，本设计选用了 DHT22 温湿度传感器。DHT22是一款数字输出的温湿度传感器，具有较高的精度，适合用于家庭环境监测。

• DHT22传感器能够提供温度和湿度的数字输出，易于与主控芯片连接。其工作原理是通过一个内置的传感器模块实时监测环境中的温度和湿度，并通过单总线协议将数据传输给主控芯片。

7. 电路设计与PCB布局

在电路设计中，我们首先需要考虑各个模块的电源要求、电气接口和信号连接。根据选定的主控芯片、传感器以及Zigbee模块的接口要求，设计了如下电路图：

• 主控芯片STM32F103C8T6：通过ADC通道读取烟雾传感器（MQ-2）和温湿度传感器（DHT22）的模拟和数字信号。

• Zigbee模块（Xbee S2）：通过串口（USART）与STM32进行通信，发送报警信息。

• 蜂鸣器和LED灯：用作报警提示设备。主控芯片通过GPIO口控制。

PCB布局设计：

• 电源部分：为确保系统稳定工作，采用了3.3V低压稳压模块，将5V电源转换为3.3V供给主控芯片和Zigbee模块。

• 信号部分：为减少噪声干扰，信号线和电源线布局时尽量避免交叉，并将传感器信号线布局成短且直的路径。

• 组件布局：烟雾传感器、温湿度传感器、Zigbee模块和主控芯片分别布局在PCB板的不同区域，以减少信号干扰。

8. 软件设计与代码实现

在软件部分，首先需要初始化各个外设（ADC、USART等），然后进行数据采集、处理和判断，最后通过Zigbee模块发送报警信息。

8.1 传感器数据读取

烟雾传感器的输出是模拟信号，因此我们需要通过STM32的ADC模块读取其电压值：

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

**温湿度传感器（DHT22）**使用单总线协议进行数据传输，因此需要使用相应的库进行数据读取：

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

8.2 数据判断与报警触发

在获取传感器数据后，我们需要判断是否满足触发报警的条件。例如，当烟雾浓度超过某个阈值时，触发报警：

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

同样，温湿度数据也可以设置报警条件：

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

8.3 Zigbee模块数据发送

通过USART接口将报警信息发送给Zigbee模块：

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

8.4 报警输出

当触发报警时，控制蜂鸣器和LED灯发出警报：

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

9. 调试与测试

在完成硬件设计和软件编写后，需要进行系统的调试和测试。常见的调试步骤包括：

• 硬件调试：检查各个模块的电气连接是否正确，确认电源电压和信号的稳定性。

• 软件调试：使用调试器（如ST-Link）进行单步调试，查看传感器数据是否正确读取，Zigbee通信是否正常。

• 系统测试：模拟不同环境条件（烟雾浓度、温湿度变化）进行测试，确认报警功能的有效性。

10. 总结

本设计通过结合Zigbee无线通信、STM32微控制器、烟雾传感器和温湿度传感器，实现了一种智能烟雾温湿度报警系统。系统能够实时监测环境状态，并通过Zigbee无线网络向用户发送报警信息，确保家居安全。在实际应用中，系统还可以进一步扩展，例如增加更多的传感器、优化报警策略或加入云端监控等功能。