基于Zigbee的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案

楊弘平，鄭先海

(沈陽工程學院 信息學院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：Zigbee技術作為一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據率、低成本的無線通信技術，較為有效地彌補了近距離無線通信的一些不足。利用Zigbee終端和Zigbee路由器對環(huán)境數(shù)據進行采集、傳輸，通過Zigbee射頻前端發(fā)送無線信息到Zigbee協(xié)調器上，再通過uart傳送至ARM模塊，ARM模塊通過以太網發(fā)送至服務器上完成數(shù)據傳輸與存儲。在結合了近距離無線通信和以太網通信的基礎上，可以使服務器通過XMPP消息向手機客戶端推送預警和報警信息，手機客戶端也可以手動訪問服務器數(shù)據。

關鍵詞：Zigbee；arm；XMPP；手機客戶端

收稿日期：2015-04-29

作者簡介：楊弘平(1965-)，男，遼寧鞍山人，副教授，碩士。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.013

中圖分類號：TP273.5

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)04-0355-05

Abstract：Zigbee technology can compensate for some shortcomings of the short distance wireless communication effectively with the advantages such as short-range,low complexity,low power,low data rate and low-cost.The environment data is collected by the Zigbee routers and Zigbee terminal.The information is send via wireless Zigbee RF front-end to the Zigbee coordinator and then the Zigbee coordinator transfers the data to ARM through the uart,and ARM sends the data to the server for data transfer and storage via Ethernet.The server pushes emergency information to mobile client through XMPP and mobile client can also manually access the server data.

近距離無線通信作為無線通信技術領域的一個重要分支，在諸多無線數(shù)據傳輸中的應用也已經越來越廣泛了。作為一種新興的近距離無線通信技術，Zigbee以其低速率、低成本、低功耗和低復雜度的優(yōu)勢引起了人們越來越多的關注，成為當前無線技術研究的熱點。

XMPP協(xié)議(Extensible Messaging and Presence Protocol可擴展消息處理現(xiàn)場協(xié)議)是一種基于XML的協(xié)議，目的是為了解決即時通信標準，最早是在Jabber上實現(xiàn)的。它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性，使基于XMPP的應用具有超強的可擴展性，并且XML很易穿過防火墻，所以用XMPP構建的應用不易受到防火墻的阻礙。利用XMPP作為通用的傳輸機制，不同組織內的不同應用都可以進行有效的通信。XMPP通信協(xié)議以其自由、開放、公開、易于了解和有多種實現(xiàn)等優(yōu)勢，在消息傳輸推送中占據一席之地。XMPP信息不僅可以是簡單的文本，而且可以攜帶復雜的數(shù)據和各種格式的文件，也就是說，XMPP協(xié)議不僅可以用在人與人之間的交流，而且可以實現(xiàn)軟件與軟件或軟件與人之間的交流。目前，支持XMPP協(xié)議的有Gtalk、FaceBook IM、Twitter、網易POPO等即時通訊工具，具有非常好的發(fā)展前景。

1總體設計

1.1系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為6個部分：Zigbee終端、Zigbee路由器、Zigbee協(xié)調器、ARM模塊、服務器、安卓手機客戶端，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.2系統(tǒng)工作流程

1)Zigbee終端上搭載各種環(huán)境監(jiān)測的傳感器，通過IO操作讀取傳感器上采集的數(shù)據，然后按照通信協(xié)議將數(shù)據封裝打包。

圖1　系統(tǒng)構成

2)Zigbee終端通過無線發(fā)射，經Zigbee路由器中轉之后，將數(shù)據發(fā)送至Zigbee協(xié)調器。

3)Zigbee協(xié)調器接收到經Zigbee路由器轉發(fā)的Zigbee終端數(shù)據之后，將接收到的數(shù)據通過uart發(fā)送至ARM模塊。

4)ARM模塊通過uart讀取到Zigbee協(xié)調器發(fā)送來的數(shù)據，按照通信協(xié)議將數(shù)據解包，然后分析數(shù)據。

5)如果數(shù)據超過相應的預警值和報警值，ARM模塊直接通過XMPP通信協(xié)議將數(shù)據發(fā)送至服務器；如果數(shù)據處于正常范圍內，ARM模塊將數(shù)據存儲在本地數(shù)據庫，等待ARM模塊定時上傳正常的數(shù)據至服務器。

6)服務器接收到ARM模塊發(fā)送來的數(shù)據包之后，判斷數(shù)據包的類型。

7)如果數(shù)據包類型為預警或報警類型，服務器立即向用戶推送預警或報警信息以提示用戶環(huán)境狀態(tài)，并將數(shù)據存儲在數(shù)據庫中；如果數(shù)據包類型是正常的數(shù)據，服務器就將數(shù)據直接存儲到數(shù)據庫中，以便用戶查看。

2Zigbee終端和Zigbee路由器設計

2.1Zigbee芯片介紹

Zigbee終端采用射頻芯片CC2530，該芯片可以使用IAR開發(fā)環(huán)境。CC2530芯片在單個芯片上整合了Zigbee射頻(RF)前端、內存和微控制器，它使用1個8位的MCU，具有64/128/256 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128系統(tǒng)處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)等，并有21個可編程IO管腳。

2.2Zigbee終端

1)硬件部分

Zigbee終端分為3個部分：電源部分、Zigbee芯片及其外圍元器件、預留IO管腳。預留的IO管腳用來掛載外部傳感器模塊，Zigbee芯片及其外圍元器件如圖2所示。

圖2　Zigbee芯片及其外圍元器件

由于Zigbee芯片包含射頻部分，所以對電源要求比較嚴格，如圖3所示。

2)軟件部分

CC2530芯片使用zstack2007協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Zigbee終端上電后，首先加入網絡，然后啟動事件定時器，就可以在程序中將訪問傳感器并讀取數(shù)據定義為自定義事件，并且將自定義事件設置為循環(huán)定時執(zhí)行，間歇性的訪問傳感器并讀取傳感器數(shù)據，其工作流程如圖4所示。

圖3　Zigbee電源原理

圖4　Zigbee終端工作流程

2.3Zigbee路由器

Zigbee路由器用來中繼轉發(fā)數(shù)據包，不需要掛載傳感器，主要分為2個部分：Zigbee芯片及其外圍元器件、電源部分。這2個部分與Zigbee終端中的對應部分完全相同。

3Zigbee協(xié)調器和ARM模塊

3.1Zigbee協(xié)調器

Zigbee協(xié)調器用于組建Zigbee網絡，并接收Zigbee終端通過無線發(fā)送來的傳感器采集的數(shù)據，然后通過uart將采集到的數(shù)據發(fā)送到ARM模塊。Zigbee協(xié)調器工作流程如圖5所示。

圖5　Zigbee協(xié)調器工作流程

3.2ARM模塊

1)ARM芯片

ARM芯片使用三星S5PV210芯片，又名“蜂鳥”(Hummingbird)，是三星推出的一款適用于智能手機和平板電腦等多媒體設備的應用處理器，其功能與S5PC110一樣。110小封裝適用于智能手機，210封裝較大，主要用于平板電腦和上網本，蘋果的iPad和IPhone4上的A4處理器(三星制造的)就和S5PV210的架構是一樣的(只是3D引擎和視頻解碼部分不同)，三星的Galaxy Tab平板電腦上用的也是S5PV210。S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內核，ARM V7指令集，主頻可達1 GHz，64/32位內部總線結構，32/32 kB的數(shù)據/指令一級緩存，512 kB的二級緩存，可以實現(xiàn)2000DMIPS(每s運算2億條指令集)的高性能運算能力。

2)ARM模塊系統(tǒng)配置

ARM模塊擁有1 G DDR2、1 G Nandflash、1 G主頻，這種高配置完全能夠滿足運行嵌入式操作系統(tǒng)。

①操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)具有免費、開源、易移植等優(yōu)勢，使其在嵌入式操作系統(tǒng)中占據一席之地。因此，將linux2.6操作系統(tǒng)裁剪、交叉編譯之后移植到ARM模塊上。

②數(shù)據庫

由于ARM模塊需要存儲正常范圍內的傳感器數(shù)據，所以ARM模塊內需要有本地數(shù)據庫。嵌入式數(shù)據庫有很多種，如sqlite，mysql等，而該系統(tǒng)選用mysql5.6數(shù)據庫。

3服務器

從ARM模塊到服務器，再從服務器到手機客戶端，這些過程都使用XMPP通信協(xié)議，所以服務器直接使用基于XMPP通信協(xié)議的服務，例如androidPN服務器。

androidPN(Android Push Notification)是一個基于XMPP協(xié)議的java開源Android Push Notification實現(xiàn)，包含完整的客戶端和服務器端。androidPN的安裝和使用都非常簡單，并可以利用Web進行管理。

在服務器PC機上直接安裝androidPN服務，安裝完成之后啟動androidPN服務，然后為ARM模塊和用戶創(chuàng)建androidPN用戶。這樣，ARM模塊才能使用用戶名通過XMPP通信協(xié)議向androidPN服務器發(fā)送數(shù)據包，而用戶可以通過手機客戶端輸入用戶名后登陸androidPN服務，查詢并接收服務器向手機客戶端發(fā)送的預警和報警信息。

4手機客戶端

手機客戶端為Android版本，已經有基于Android的XMPP通信協(xié)議jar包，只需在工程中導入XMPP通信協(xié)議jar包，在程序中調用jar中的登陸、消息處理接口，這樣就能接收到服務器發(fā)送來的預警和報警信息。同時，手機客戶端可以通過web service訪問服務器中存儲的傳感器數(shù)據。

5結語

在結合了近距離無線通信和以太網通信之后，將兩種網絡互相融合，提供了低成本、可靠的環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據傳輸、實時提醒的解決方案。此外，Zigbee網絡在實際應用中具有自修復能力，Zigbee終端、Zigbee路由器因故障或其他原因斷開網絡之后還可以重新加入到Zigbee網絡中來，并且多個Zigbee網絡之間的節(jié)點(終端、路由)互不干擾。由于環(huán)境影響，Zigbee終端與Zigbee路由器以及Zigbee路由器之間傳輸響應距離有限，可以在Zigbee芯片射頻(RF)前端添加射頻增益芯片，如CC2591、CC2592芯片。添加射頻增益芯片之后，需要對Zigbee協(xié)議棧zstack2007做相應的修改，就能將傳輸響應距離擴大。距離擴大之后，相應的數(shù)據包誤報率和丟包率將會增大，這就需要綜合考慮Zigbee設備節(jié)點之間的傳輸響應距離。

參考文獻

[1]鄭先海，呂海華，楊弘平.基于AndroidPN技術的Zigbee無線網絡的物聯(lián)網數(shù)據采集[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2014，10(4):370-372.

[2]任偉，顧小莉，王麗華.基于ZigBee的低功耗無線溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農機化研究，2014(9)：103-107.

[3]徐培玲.基于ZigBee無線通信的智能家居系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技，2013(10)：75-76.

Design Scheme of Home Environment Monitoring

System Based on Zigbee

YANG Hong-ping,ZHEN Xian-hai

(College of Information,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Key words： Zigbee;arm;XMPP;mobile client

(責任編輯張凱校對佟金鍇)