基于ZigBee+GPRS的電子櫥窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信作者：詹杰(1973—)，男，湖南常德人，湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)研究.

李先春，詹杰，孫琪皓，李虹

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

摘要：針對戶外智能電子櫥窗控制困難和安全性不高的問題，提出一種基于ZigBee和GPRS的智能電子櫥窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該系統(tǒng)以CC2430微控制器為核心芯片，由Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式控制，采用GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)將采集到的震動警示信息傳輸?shù)接脩粢苿咏K端.該系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)櫥窗背景燈的亮度、節(jié)能和光污染少等特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；ZigBee；GPRS；智能電子櫥窗

文章編號：1007-2985(2015)05-0051-06

收稿日期：2015-03-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377024)；湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX2013B404)；湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(14C0442)

作者簡介：李先春(1989—)，女，重慶梁平人，湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)處理與無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究

中圖分類號：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.012

智能電子櫥窗是一種新型廣告?zhèn)鞑ッ襟w，利用了現(xiàn)代電子與通信技術(shù)，內(nèi)置的傳動裝置可在正、背面同時發(fā)布多幅廣告，是傳統(tǒng)平面廣告牌的更新?lián)Q代產(chǎn)品.具有美觀大方、操作方便、科技含量高、發(fā)布畫面多、宣傳效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市廣場、繁華街道和住宅小區(qū)[1-2].然而，目前的智能電子櫥窗普遍存在能耗高、可控性差、廣告效應(yīng)難以量化、智能性差等缺點(diǎn)，不能夠?qū)崿F(xiàn)分布式遠(yuǎn)程實(shí)時控制.

針對現(xiàn)有智能電子櫥窗存在的問題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的智能電子櫥窗遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無需布線、操作簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)、能耗低、控制靈活方便[2].

1　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由移動控制終端、主控終端節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)3部分組成，如圖1所示.

圖1　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

移動控制端負(fù)責(zé)發(fā)送控制信息并接收櫥窗反饋信息，可用手機(jī)實(shí)現(xiàn)；主控終端節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由GPRS DTU模塊和ZigBee射頻模塊等組成，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程控制信號，最終將控制信息發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)由射頻模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成.此外，櫥窗內(nèi)部還配有背景燈控制、液晶屏及櫥窗安全防護(hù)電路等.用戶手機(jī)按指定格式發(fā)送短信，將櫥窗控制命令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到DTU，DTU再通過串口將命令傳給主控終端(協(xié)調(diào)器).多個櫥窗在主控終端的控制下組織成一個星型網(wǎng)絡(luò)，主控終端負(fù)責(zé)將接收到的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)內(nèi)的其他終端，相比其他終端，多了1個連接GPRS網(wǎng)絡(luò)的DTU.

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子櫥窗由于放置范圍廣(如室內(nèi)、室外、墻邊，電桿)，為適應(yīng)較寬溫度范圍和不同天氣條件，對控制電路提出了諸如硬件體積小、成本低等需要.為了提高系統(tǒng)可靠性，簡化電路設(shè)計(jì)，主控芯片選擇嵌入了51內(nèi)核和ZigBee RF硬件的CC2430芯片[2-3]，如圖2所示.櫥窗硬件控制系統(tǒng)主要包括無線射頻模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、串口通訊模塊、光強(qiáng)檢測模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等.

圖2　櫥窗硬件控制系統(tǒng)方框

2.1 無線射頻模塊

電子櫥窗系統(tǒng)一般由多個櫥窗組成.為節(jié)省運(yùn)行和維護(hù)成本，相距較近的櫥窗采用ZigBee技術(shù)自動組織成1個局域網(wǎng)，共用1個DTU進(jìn)行遠(yuǎn)程通信.該模塊包含終端控制節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).相關(guān)應(yīng)用電路通過ZigBee無線射頻模塊連通，實(shí)現(xiàn)櫥窗動態(tài)控制，由于CC2430芯片集成了無線射頻模塊，所以射頻模塊只需完成接口部分設(shè)計(jì).

2.2 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊采用振鴻偉業(yè)的ZHD1X DTU作為GPRS無線通信模塊，主要由MD251模塊、SIM SOCKET模塊、RS232串口模塊和電源模塊等構(gòu)成.其中，MD251模塊是可編程GSM /GPRS模塊，支持GPRS數(shù)據(jù)傳輸、SMS控制、AT命令控制和UART串口中斷，并預(yù)留了SIM卡接口和一系列的外部接口，可以方便實(shí)現(xiàn)GPRS與RS232之間的數(shù)據(jù)傳輸，具有遠(yuǎn)程管理功能，支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和程序升級[4].該模塊應(yīng)用DTU的短信傳輸功能命令格式見表1.

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊采用TB6600HQ芯片驅(qū)動24 V無刷步進(jìn)電機(jī)(圖3).TB6600HQ是單芯片PWM斬波型雙極性正弦步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動芯片，可控制2相步進(jìn)電機(jī)正向和反向旋轉(zhuǎn)，且?guī)в写龣C(jī)功能.該芯片內(nèi)置多種保護(hù)電路，時鐘脈沖信號可以驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)低振動、高效率工作[5].

表1　短信通訊命令格式

為避免主控芯片因反向電流過大而被燒壞，設(shè)計(jì)了光耦保護(hù)電路，在過流和過溫保護(hù)輸出端加上1個LED燈，用來指示芯片是否過流或者過溫.考慮到節(jié)能和芯片的安全，在電流設(shè)置端加入由Q觸發(fā)器組成的自動半流電流電路，使電流可根據(jù)輸入的脈沖進(jìn)行設(shè)置.

圖3　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

2.4 其他功能模塊

為減小檢測錯誤，本系統(tǒng)中的光強(qiáng)檢測模塊設(shè)置了3組(圖4).只有當(dāng)3組電路同時作用時，該模塊才作出相應(yīng)的光調(diào)節(jié)反應(yīng).電源模塊(圖5)采用開關(guān)電源，供給電機(jī)壓為24 V.該模塊采用了DC-DC調(diào)壓芯片LM2596和PS79533組合，分別提供5 V和3.3 V電壓，供CC2430微控制器和相關(guān)電路使用.

圖4　光強(qiáng)檢測模塊

圖5　電源模塊

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控終端程序

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，主控終端不僅通過DTU與移動控制終端進(jìn)行通信，而且與網(wǎng)內(nèi)其他終端進(jìn)行無線通信.協(xié)調(diào)器的主要功能是建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送，并接收其他終端的數(shù)據(jù)，其主程序流程如圖6所示.

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，即打開串口、定時器和各個I/O口的中斷等，然后進(jìn)行組網(wǎng)操作.通過超幀協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)正常工作，查詢串口是否有中斷產(chǎn)生.如果有中斷，判斷該中斷是否來自用戶的控制消息，如果是，就對該信息進(jìn)行解析與處理，執(zhí)行相應(yīng)的操作，即本地操作或?qū)⑿畔l(fā)送給其他終端.完成指定操作后，將運(yùn)行狀態(tài)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋給用戶.如果不是，就刪除此消息.

3.2 終端控制節(jié)點(diǎn)程序

終端節(jié)點(diǎn)接收由協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制信息，并做出相應(yīng)的操作(如改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、周期等)，同時將櫥窗實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)回送給用戶，主程序流程如圖7所示.

系統(tǒng)上電后，首先初始化設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接收協(xié)調(diào)器分配的地址，完成加入網(wǎng)絡(luò)的流程；然后，查詢中斷是否收到協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令，一旦檢測到信息，即對該信息進(jìn)行解析與處理，執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時將該信息發(fā)送給LCD顯示模塊；最后，將運(yùn)行狀態(tài)反饋給協(xié)調(diào)器，發(fā)送回遠(yuǎn)程控制移動終端.本系統(tǒng)中，除了組網(wǎng)所需的控制幀以外，筆者定義了如圖8所示的控制數(shù)據(jù)包格式.

圖6　主控終端主程序流程

圖7　終端節(jié)點(diǎn)主程序流程

圖8　數(shù)據(jù)包格式

4　系統(tǒng)測試

(1)GPRS通訊建立及測試(圖9).首先，設(shè)置DTU參數(shù)，將在線模式設(shè)置為“格式傳輸”，傳輸協(xié)議設(shè)置為“TCP”，短信編碼方式設(shè)置為“7BIT”；然后，綁定手機(jī)號到DTU模塊中，并向DTU串口發(fā)送數(shù)據(jù)“SMSA13681586260,10:1234567890”；最后，用戶控制手機(jī)則收到短信“1234567890”，DTU同時返回“SMSS OK ”信息

圖9　GPRS DTU參數(shù)設(shè)置界面

(2) ZigBee通訊測試.系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)操作，并顯示本節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)地址，這時可以允許終端節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中.協(xié)調(diào)器接收到DTU傳來的數(shù)據(jù)之后，立即將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)(圖10).

圖10　櫥窗組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

圖11　櫥窗控制系統(tǒng)硬件連接示意

(3)櫥窗控制測試.櫥窗控制系統(tǒng)硬件連接如圖11所示(右邊的櫥窗為主控終端，左邊的為其他控制終端).在櫥窗的左側(cè)和右側(cè)內(nèi)壁各貼上一個光敏電阻，上側(cè)內(nèi)壁貼上光敏電阻和震動傳感器各1個.手機(jī)發(fā)送控制短信，如“1,0,0,12,2,1”，1 min左右后，廣告頁面開始順時針滾動，且每2 min換1面廣告，同時在LCD屏上看到“正轉(zhuǎn)，12 s/圈，2 min/次”字樣，當(dāng)振動櫥窗時，蜂鳴器發(fā)出響聲，約1 min后，手機(jī)收到“DANGER!”信息.用光照射櫥窗，打開的背景燈立即關(guān)掉；遮擋櫥窗，關(guān)掉的背景燈立即打開.

5　結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的智能電子櫥窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過手機(jī)短信控制櫥窗的運(yùn)行，LCD正確顯示櫥窗運(yùn)行狀態(tài)，背景燈能隨著環(huán)境光的變化自動開關(guān).櫥窗在受到強(qiáng)烈振動的情況下，會發(fā)出警報(bào)聲，且用戶手機(jī)能及時收到報(bào)警短信.測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組建無線電子櫥窗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，很好地解決了主控櫥窗與其他各個櫥窗間的無線通信，避免了繁雜的布線問題，擴(kuò)大了滾動的櫥窗信息量，具有較好的實(shí)用價值.

參考文獻(xiàn)：

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Design of Remote Control System for Intelligent Electronic

Billboards Based on ZigBee+GPRS

LI Xianchun,ZHAN Jie,SUN Qihao，LI Hong

(College of Physics and Electronic Science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201,Hunan China)

Abstract:Aiming at the difficulty and insecurity in controlling the outdoor electronic billboards，the remote control system for intelligent electronic billboards has been designed based on ZigBee and GPRS.The core of the system is CC2430 microcontroller，and the ZigBee wireless sensor network is built by Z-Stack protocol stack to realize multipoint distributed control system.Furthermore,the collected vibration warning information is transmitted to the mobile terminal of users through GPRS telecommunication technique.This system can adjust the brightness of the backlight of the billboards.It is not only energy-efficient，but also reduces the light pollution.

Key words：remote control；ZigBee；GPRS；intelligent electronic billboards

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))