武 一，馬樹宇

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

基于ZigBee與ARM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武 一，馬樹宇

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

針對有線組網(wǎng)方式布線復(fù)雜、維護(hù)困難的問題，提出了一種基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)和嵌入式Web服務(wù)器，對家庭環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。采用溫濕度傳感器DHT11實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集，煙霧傳感器MQ2監(jiān)測廚房煙霧濃度是否超標(biāo)，人體紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)家庭安防。并且通過紅外技術(shù)控制空調(diào)和加濕器或熱水器的打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對溫度和濕度的調(diào)節(jié)，對熱水器的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)體積小、功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的實(shí)際意義。

ZigBee；協(xié)調(diào)器；終端節(jié)點(diǎn)；傳感器

在炎熱的夏季，下班回家后才把空調(diào)打開，卻還是很熱；想洗熱水澡，發(fā)現(xiàn)熱水器還沒有加熱；有急事需要出門，結(jié)果忘記關(guān)閉空調(diào)。為了解決上述問題，急需要一套對家電的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。于是，本文將ZigBee技術(shù)結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了一種對家庭溫濕度等環(huán)境因素的遠(yuǎn)程監(jiān)控，讓人們的生活更加方便、舒適。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)需要在家庭內(nèi)部建立網(wǎng)路，將各種電器、傳感器納入其中，以實(shí)現(xiàn)集中管理。家用電器位置容易改變，數(shù)量也容易變化，相對距離較短；ZigBee技術(shù)是一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的新型短距離無線通信技術(shù)[1]，具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；文中應(yīng)用ZigBee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，接線簡單，性能穩(wěn)定可靠，功耗低，實(shí)時(shí)性好。

嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。由于HTML語言的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性，只要該嵌入式Web服務(wù)器接入Internet，就可以使用任意一種接入Internet的Web瀏覽器接收和發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)據(jù)的顯示，對家用電器的控制。

本設(shè)計(jì)的總體框架如圖1所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器和搭建了Web服務(wù)器的ARM9芯片通過串口接在一起，而ARM9又通過網(wǎng)口以網(wǎng)線連接路由器，進(jìn)而接入Internet。遠(yuǎn)程客戶端是連網(wǎng)的個(gè)人電腦，電腦上安裝有普通瀏覽器程序，通過普通瀏覽器登陸服務(wù)器，然后實(shí)現(xiàn)對ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)的顯示和對執(zhí)行電器的控制。

根據(jù)系統(tǒng)功能應(yīng)用，選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有唯一的協(xié)調(diào)器，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。協(xié)調(diào)器將終端節(jié)點(diǎn)上傳的傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給嵌入式web服務(wù)器，將嵌入式web服務(wù)器傳過來的指令解析，并將控制命令下發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)定期采集傳感器數(shù)據(jù)，并上傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；當(dāng)協(xié)調(diào)器下發(fā)控制命令時(shí)，根據(jù)命令激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號。執(zhí)行電器的紅外接收端接收到紅外信號后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖1 總體框架圖Fig.1 Overall framework

2 硬件電路

嵌入式Web服務(wù)器以ARM9為硬件平臺，采用S3C2440芯片作為主處理器[2]，主頻400 MHz，最高533 MHz，SDRAM作為內(nèi)存，F(xiàn)lash作為內(nèi)核和文件系統(tǒng)存儲芯片。

ZigBee模塊主芯片采用CC2430，它是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)[3]。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。該芯片采用0.18 μmCMOS工藝，工作電流損耗為27 mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA[4]。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要參數(shù)要視具體應(yīng)用場合而定，此系統(tǒng)的應(yīng)用針對的是家庭，而人們對家庭環(huán)境的要求，最基本的就是溫度、濕度要合適，此外要防火防盜。家庭室內(nèi)環(huán)境溫度的范圍一般為0～35 ℃之間，相對濕度范圍在20～80％RH之間；當(dāng)環(huán)境溫度在18～25 ℃，相對濕度在40％～70％時(shí)，人體感覺最舒適。基于此，選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。測量范圍是：相對濕度20～90％RH，溫度 0～50℃；測量濕度的精度為±5％RH，測量溫度的精度為±2 ℃，均能滿足要求，并且抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比較高。其它傳感器選擇煙霧傳感器MQ2、HR-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。

傳感器MQ2保證正常工作的電壓為5±0.2 V，而CC2430的供電電壓為2～3.6 V，因此采用升壓模塊對其升壓后再給MQ2供電。圖2為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的部分電路連接圖，如圖所示電源VCC經(jīng)過升壓后再連接到傳感器模塊MQ2的電源端，然后MQ2的數(shù)字輸出端連接ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的通用I/O口P0.1。升壓電路功耗低，提供的電流也能滿足MQ2正常工作的要求。

為了降低成本，結(jié)合紅外技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制。這樣，每個(gè)房間只需一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，其I/O端口除了連接傳感器外其余的還作為控制信號輸出端口使用。空調(diào)遙控器按鍵是開關(guān)量，又多是兩節(jié)干電池供電，因此ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的I/O端口可以和空調(diào)遙控器上的幾個(gè)按鍵直接相連，這樣既能遠(yuǎn)程控制，又可以在本地通過遙控器控制空調(diào)的開關(guān)、溫度的調(diào)節(jié)。而電熱水器和加濕器沒有配套的遙控，因此在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接5 mm紅外發(fā)射管，采用軟件調(diào)制技術(shù)，激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號來實(shí)現(xiàn)對電熱水器和加濕器的遠(yuǎn)程控制，原理圖如圖3所示。

圖2 升壓電路原理圖Fig.2 Boost circuit schematics

電熱水器和加濕器的開關(guān)處要增加一紅外接收電路。紅外接收電路由低成本低功耗的PIC單片機(jī)PIC12F629、紅外一體化接收頭、繼電器組成。

圖3 紅外遙控調(diào)制發(fā)射電路Fig.3 Modulated infrared remote control transmitter circuit

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

采用TI公司半開源的Zstack協(xié)議棧[5]—ZigBee2006，具體版本號為ZStack-1.4.3-1.2.1，既縮短了研發(fā)周期又能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要包括協(xié)議棧的配置和應(yīng)用層軟件的開發(fā)。圖4是協(xié)調(diào)器的程序流程圖。

本文采用的是雙向綁定的方法，因?yàn)榻壎ū碇唤⒃诎l(fā)起綁定的一方，對于被綁定方是不知道綁定方的綁定地址的。故而采取雙向綁定的方法，來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的雙向通信。

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.4 Program flow chart of coordinator

由于終端節(jié)點(diǎn)有多個(gè)，故而采用順序綁定的方法，即先設(shè)置綁定節(jié)點(diǎn)1，成功之后設(shè)置綁定節(jié)點(diǎn)2，依此類推直到綁定所有終端節(jié)點(diǎn)。在函數(shù)void zb_BindConfirm（uint16 commandId，uint8 status ）中，標(biāo)志位count每完成一次協(xié)調(diào)器到終端節(jié)點(diǎn)的綁定，其值增一，以此記錄該綁定哪個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。再利用if語句實(shí)現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)置綁定事件，進(jìn)而完成綁定工作。

在正常工作狀態(tài)下的協(xié)調(diào)器，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，會進(jìn)入應(yīng)用層進(jìn)行處理。調(diào)用函數(shù)zb_SendDataRequest（uint16 destination，uint16 commandId，uint8 len， uint8 *pData，uint8 handle，uint8 txOptions，uint8 radius ）向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于不同終端節(jié)點(diǎn)的commandId不同，因此協(xié)調(diào)器只向commandId相匹配的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)去做相應(yīng)處理。

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行初始化，然后去發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行綁定等操作。之后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)每隔10S采集一次傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組pData[12]中，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)zb_SendDataRequest（0xFFFE，SENSOR_ REPORT_CMD_ID，12，pData，0，AF_ACK_REQUEST，0 ），將所有數(shù)據(jù)一次性發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。圖5是終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of terminal node

4 嵌入式Web服務(wù)器

嵌入式Web服務(wù)器以linux為操作系統(tǒng)，通過搭建BOA服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對瀏覽器頁面訪問請求響應(yīng)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能。此外，結(jié)合CGI技術(shù)編寫HTML靜態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序[6]，移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQlite，用以存儲合法用戶的用戶名和密碼，實(shí)現(xiàn)對登錄用戶的客戶驗(yàn)證功能；并且還能存儲由串口傳送來的傳感器數(shù)據(jù)，通過CGI程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫的最新數(shù)據(jù)，由BOA服務(wù)器返回給瀏覽器實(shí)現(xiàn)對家庭傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

ARM9除了BOA服務(wù)器一直在運(yùn)行，還有串口應(yīng)用程序也在不斷監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)需要接收或者發(fā)送。設(shè)計(jì)所用ARM9開發(fā)板有3個(gè)UART，選用串口1，主要寄存器設(shè)置如下：

GPHCON=0xa00；

ULCON1=0x03；//數(shù)據(jù)格式為8位，一停止位，無校驗(yàn)位

UCON1=0x05；//時(shí)鐘源為pclk，查詢方式

UBRDIV1=（PCLK/（115200×16）-1）；//設(shè)置波特率115200

5 系統(tǒng)測試

本設(shè)計(jì)以一個(gè)協(xié)調(diào)器和5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行測試，5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別放在5個(gè)房間-客廳、主臥室、次臥室、衛(wèi)生間、廚房內(nèi)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器放在主臥室。在PC機(jī)上打開瀏覽器，輸入http：//192.168.1.230，即出現(xiàn)登陸頁面，輸入用戶名、密碼認(rèn)證成功后，即出現(xiàn)主頁面，如圖6，是本系統(tǒng)默認(rèn)主頁面，顯示內(nèi)容為房間名稱、電池電量、溫濕度、是否有人活動等情況，默認(rèn)情況下空調(diào)、加濕器都是關(guān)閉的。

圖6 主頁面Fig.6 Home page

如圖7所示，通過選擇頁面上空調(diào)的開啟選項(xiàng)，瀏覽器將命令傳給CGI程序，CGI程序調(diào)用應(yīng)用程序，使ARM9經(jīng)由串口發(fā)送2個(gè)字節(jié)控制命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，1個(gè)字節(jié)裝載的是房間編號信息，即ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，另一個(gè)字節(jié)裝載的是控制命令數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將命令下發(fā)給客廳中的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將控制命令數(shù)據(jù)譯成對P2.1口輸出低電平，相當(dāng)于空調(diào)遙控器開關(guān)按鍵按下，空調(diào)相應(yīng)打開。再在頁面上選擇空調(diào)調(diào)節(jié)溫度選項(xiàng)“降溫”，然后點(diǎn)擊“提交”按鈕，經(jīng)由相似過程，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)控制P1.2輸出低電平，相當(dāng)于空調(diào)遙控器降溫按鍵按下，客廳溫度降低，在網(wǎng)頁上點(diǎn)擊3次按鈕“提交”，客廳溫度降至25℃。

圖7 空調(diào)降溫后的頁面Fig.7 Page after air cooling

通過實(shí)驗(yàn)，可以知道本系統(tǒng)能能實(shí)現(xiàn)以下功能：對家庭各個(gè)房間的溫度和濕度實(shí)時(shí)顯示，能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫度和濕度，遠(yuǎn)程打開熱水器開關(guān)對其加熱，當(dāng)房間有人活動時(shí)能在監(jiān)控頁面顯示出來，廚房煙霧濃度是否超標(biāo)也能在頁面顯示。

6 結(jié)束語

文中所述的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在家庭環(huán)境中，既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測家中各個(gè)房間的溫濕度狀況，也能控制家中空調(diào)、加濕器的打開或者關(guān)閉狀態(tài)從而調(diào)節(jié)溫濕度，營造一個(gè)舒適宜人的環(huán)境。煙霧傳感器能實(shí)現(xiàn)煙霧濃度超標(biāo)檢測，使用人體紅外模塊可實(shí)現(xiàn)家庭安防功能。電池電量檢測能即時(shí)提醒更換電池。若對本設(shè)計(jì)做微小改動，添加房間數(shù)量或減少數(shù)量，或者改變傳感器類別實(shí)現(xiàn)其他功能，可擴(kuò)展性較強(qiáng)。

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Design and realization of remote monitoring system based on ZigBee and ARM

WU Yi，MA Shu-yu
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Aiming at the problem of wiring complexity and maintenance headaches for the way of wired networking，this paper proposed a way to realize remote monitoring to families elements based on ZigBee and embedded Web server.It uses humidity ＆ temperature sensor DHT11 for data collection，uses smoke sensor MQ2 for smoke monitoring，and uses Body infrared Sensor Module for family security.What's more，it uses infrared technology to turn on or turn off air-condition and water heater or humidifier for temperature or humidity regulation，and to control for water heater.The result of experiment shows that the system has small size，low power consumption，stable operation，a certain practical significance.

ZigBee；coordinator；end point node；sensor

TN872

A

1674-6236（2014）11-0114-04

2013-09-17 稿件編號：201309130

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2010000072）

武 一（1964—），女，天津人，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。