范 燕， 俞 洋， 李永義， 丁益星

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學院 電子與電氣工程學院,江蘇 常州 213164； 2. 江蘇理工學院電氣信息工程學院,江蘇 常州 213164； 3.南京工業(yè)大學 交通學院，江蘇 南京 210009)

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·計算機技術(shù)應用·

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

范 燕1， 俞 洋2， 李永義3， 丁益星3

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學院 電子與電氣工程學院,江蘇 常州 213164； 2. 江蘇理工學院電氣信息工程學院,江蘇 常州 213164； 3.南京工業(yè)大學 交通學院，江蘇 南京 210009)

提出了一種將Internet、移動通信、WSN、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及自動控制等多種技術(shù)融為一體的遠程監(jiān)控方案；給出了ZigBee/IP變換接口設(shè)計方案，包括PC機實現(xiàn)方案和以太網(wǎng)卡實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了通過Internet進行遠程監(jiān)控的功能；給出了ZigBee/GSM變換接口設(shè)計方案，包括PC機實現(xiàn)方案和單片機實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了通過移動電話進行遠程監(jiān)控的功能；開發(fā)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制臺軟件和Web服務器軟件，構(gòu)建了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺。通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)證明，終端結(jié)點與協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器與USB、控制臺和Internet、協(xié)調(diào)器與以太網(wǎng)模塊、協(xié)調(diào)器與GSM模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠通過Internet或移動終端對監(jiān)控點進行監(jiān)視，在監(jiān)控點發(fā)生異常的情況下能夠通過GSM網(wǎng)絡(luò)給關(guān)系人發(fā)送短消息和打電話、報警。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； CC2430； IAR； C8051F320； KEIL C； MSP430； CP2200； C8051F

0 引 言

隨著Internet 和移動通信技術(shù)的快速發(fā)展以及通信業(yè)務多樣化需求的增加，人們提出了通信無處不在的概念，從第4 代移動通信(4G)和網(wǎng)絡(luò)的觀點出發(fā)，這種概念也被稱為泛網(wǎng)(Ubiquitous Network)[1]。近2年來，國內(nèi)外眾多學者及研究機關(guān)圍繞泛網(wǎng)進行了許多相關(guān)研究，教育部于2005 年12 月在北京郵電大學建立了泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室，日本于2006 年推出了u-Japan(實現(xiàn)Ubiquitous Network 社會)計劃[2]。在泛網(wǎng)領(lǐng)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是主要的技術(shù)之一[4]。另一方面，從涵蓋知識面的角度看，WSN 包含了射頻技術(shù)、通信協(xié)議、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、單片機技術(shù)以及電路制作工藝等綜合知識。

目前，ZigBee、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB：Ultra Wide Band)等短距離通信規(guī)范相繼問世，采用這些規(guī)范構(gòu)成的WSN 系統(tǒng)也很多。市場上應運而生了不少汽車報警設(shè)備及智能家居產(chǎn)品[4-12]。但是，從應用的便利性、產(chǎn)品價格以及技術(shù)手段的先進性來看，許多產(chǎn)品還存在著一些缺陷。例如，國內(nèi)目前智能家居主要是采用有線方式，在使用和安裝上局限性較大；醫(yī)院的監(jiān)控系統(tǒng)大都采用有線方式，發(fā)生緊急情況時，需要病人按鍵通知醫(yī)生，這樣，對于心臟病突發(fā)等緊急情況，就會延誤時機?；谶@樣的情況，本文提出了一種將Internet、移動通信、WSN、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及自動控制等多種技術(shù)融為一體的遠程監(jiān)控設(shè)計方案，并將該方案用于智能空調(diào)遠程控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于ZigBee WSN的遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，F(xiàn)FD(Full Function Device)表示能夠和其他所有的結(jié)點進行通信的全功能結(jié)點。因為FFD擔負著網(wǎng)絡(luò)建立、維護以及對其他通信結(jié)點進行協(xié)調(diào)等任務，是對個域網(wǎng)絡(luò)(Private Area Network，PAN)進行管理的信號匯聚結(jié)點，所以稱為協(xié)調(diào)器。RFD(Reduced Function Device)表示帶有傳感器的終端結(jié)點，或者帶有傳感器和無線控制器的終端結(jié)點。室內(nèi)的空調(diào)、照明設(shè)備、電視、門鎖以及氣體、溫度、濕度等傳感器都通過RFD與FFD進行無線通信[13]。FFD利用ZigBee/IP轉(zhuǎn)換接口設(shè)備，通過ADSL等寬帶網(wǎng)絡(luò)接入Internet，家庭主人可以在遠離住宅的地方通過Internet來檢測家里發(fā)生的情況，并可以通過Internet對家里的空調(diào)、排風設(shè)備、抽濕設(shè)備等進行控制[14]。另一方面，F(xiàn)FD中帶有與移動網(wǎng)絡(luò)通信的無線空中接口模塊，F(xiàn)FD可以將RFD監(jiān)測得到的必要信息通過公共移動網(wǎng)絡(luò)即時地發(fā)送到家庭主人的手機上，還可將門窗被撬等緊急信息同時發(fā)送給110。家庭主人也可以使用手機對空調(diào)、排風設(shè)備、抽濕設(shè)備等進行遠程控制。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)各模塊硬件與軟件設(shè)計

按照功能可以把設(shè)計內(nèi)容分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、USB接口、ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM接口以及設(shè)備監(jiān)控等4個部分[3-5]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分實現(xiàn)終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器之間的無線通信及信號檢測；ZigBee/IP變換部分實現(xiàn)zigBee數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)的互相轉(zhuǎn)換；ZigBee/GSM接口部分實現(xiàn)手機和傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信；設(shè)備監(jiān)控部分對檢測對象進行監(jiān)視，并根據(jù)來自用戶的指令控制設(shè)備的工作狀態(tài)。下面就分別從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面簡要介紹設(shè)計中采用的主要技術(shù)。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線通信模塊采用射頻芯片CC2430。 CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試遵從IDE的IAR環(huán)境。設(shè)計制作了WSN的硬件，編寫了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ懦绦?，實現(xiàn)了ZigBee終端與協(xié)調(diào)器之間的無線通信以及協(xié)調(diào)器與USB接口的有線通信[10]。

2.1.1 結(jié)點的硬件設(shè)計

本設(shè)計采用TI公司的CC2430射頻芯片，ZigBee結(jié)點由CC2430模塊、電源模塊及傳感器模塊構(gòu)成。結(jié)點的原理圖如圖2所示。

2.1.2 通信軟件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)需要把終端節(jié)點采集的溫度值發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將各個終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)由串口輸出到USB接口[7]。通信軟件設(shè)計采用了TI協(xié)議棧和嵌入式集成設(shè)計工具IAR。終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)以及協(xié)調(diào)器向USB發(fā)送數(shù)據(jù)的主要源代碼較長在此省略。

2.2 USB接口設(shè)計

USB接口模塊，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器(CC2430/CC2431)與PC機的正常通信、PC控制臺與Internet 之間的數(shù)據(jù)收發(fā)的協(xié)調(diào)以及突發(fā)事件的控制處理。

圖2 結(jié)點原理圖

2.2.1 USB模塊的硬件設(shè)計

USB的控制芯片選用C8051F320單片機，它的主要作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中間轉(zhuǎn)發(fā)。單片機與PC機連接通過自帶的USB收發(fā)器實現(xiàn)，與ZigBee協(xié)調(diào)器通信采用RS232串口方式。USB模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 USB模塊的原理圖

2.2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括單片機固件程序、PC機界面應用程序和驅(qū)動程序的編寫[6]。固件程序采用USB 2.0規(guī)范，選用KEIL C編程，并采用JTAG口調(diào)試工具進行調(diào)試和程序下載；PC機端的界面應用程序采用Visual C++ 6編程。圖4給出了主程序流程圖。中斷服務子程序及PC機應用程序的流程圖此處略。

2.3 ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM接口設(shè)計

ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM 接口模塊，主要由Internet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和GSM監(jiān)測系統(tǒng)組成[8-9]。Internet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)運用ASP動態(tài)網(wǎng)頁編程技術(shù)編寫網(wǎng)頁，將節(jié)點數(shù)據(jù)在Internet網(wǎng)絡(luò)上實時顯示，并且在數(shù)據(jù)顯示頁面中設(shè)置了控制按鈕，方便用戶遠程通過Internet對節(jié)點的狀態(tài)進行控制；GSM監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點狀態(tài)，采用PC機模式或單片機模式控制GSM模塊發(fā)送短消息或者撥打電話，實現(xiàn)報警功能。

圖4 主程序流程

2.3.1 硬件設(shè)計

GSM模塊選用西門子公司的MC39i芯片，單片機控制模塊采用MSP430芯片，語音處理模塊采用ISD公司的4002芯片。

2.3.2 軟件設(shè)計

ZigBee/IP變換部分采用超文本標記語言HTML和ASP編成環(huán)境實現(xiàn)。設(shè)計ZigBee/GSM軟件時，首先對ZigBee數(shù)據(jù)格式、AT命令以及短消息的PDU編碼進行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了發(fā)送短消息和撥打電話的應用程序。單片機控制GSM撥打電話的源代碼如下面程序清單所示。單片機控制GSM發(fā)送短消息程序清單略。

void main(void)

{

unsigned char i;

unsigned char KeyBuff;

SystemInit();//系統(tǒng)配置

SysClkInit();//配置系統(tǒng)時鐘

PortInit();//端口配置

Uart0Init();//串口初始化

//發(fā)送一個AT 指令

Uart0SendString("AT",2);

Uart0Send(end);

DelayMs(1000);//延遲100 mS

while(1){

if(KEY1==0) {

DelayMs(10) ;//延遲100 mS

if(KEY1==0) {

Uart0SendString("ATD"13815036139";",17);//設(shè)置長度

Uart0Send(end);

DelayMs(10);//延遲100 mS

while(KEY1==0);

}

}

}

}

2.4 設(shè)備監(jiān)控

設(shè)備監(jiān)控包括家庭網(wǎng)關(guān)和智能終端兩部分。

2.4.1 硬件設(shè)計

家庭網(wǎng)關(guān)由Zigbee模塊、MSP430單片機系統(tǒng)、GSM模塊、以太網(wǎng)模塊和觸摸屏模塊組成；智能終端由Zigbee模塊、串口橋模塊和紅外遙控模塊組成[15]。本文只對家庭網(wǎng)關(guān)的硬件進行說明，智能終端及橋接模塊等其他硬件略。

家庭網(wǎng)關(guān)主要由ZigBee FFD節(jié)點和各種通信模塊組成，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 家庭網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)模塊的控制器采用是Silabs公司的CP2200芯片，MCU選擇Silabs公司公司的C8051F系列單片機。以太網(wǎng)模塊的原理圖如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)模塊的原理圖

2.4.2 軟件設(shè)計

以太網(wǎng)模塊、串口橋模塊及紅外發(fā)射模塊的軟件流程分別如圖7～9所示。

3 家庭網(wǎng)關(guān)和智能終端的實物圖

將上述4個子模塊的硬件組合在一起構(gòu)成的家庭網(wǎng)關(guān)和智能終端的硬件構(gòu)成分別如圖10、11所示。

4 結(jié) 語

通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)證明，終端結(jié)點與協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器與USB、控制臺和Internet、協(xié)調(diào)器與以太網(wǎng)模塊、協(xié)調(diào)器與GSM模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠通過Internet或移動終端對監(jiān)控點進行監(jiān)視，在監(jiān)控點發(fā)生異常的情況下能夠通過GSM網(wǎng)絡(luò)給關(guān)系人發(fā)送短消息和打電話、給110或119報警。并且能夠通過Internet或移動終端給遠程控制空調(diào)控制器發(fā)送控制指令，控制空調(diào)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的基本目的，為泛網(wǎng)研究打下了一定基礎(chǔ)。系統(tǒng)面向市場、實用性強，具有很好的應用前景。

圖7 以太網(wǎng)模塊的程序流程

圖8 串口橋模塊的程序流程

圖9 紅外發(fā)射模塊的程序流程

圖10 家庭網(wǎng)關(guān)實物圖

圖11 智能終端實物圖

[1] 正村達郎. 移動體通信[M]. 東京:丸善出版社, 2006.

[2] Hiroshi SAITO, Masahiro UMEHIRA, and Masahiro MORIKURA.

Consideration of Global Ubiquitous Network Infrastructure[J].IEICE B, 2005, J88-B(11): 2128-2136.

[3] 李 艷,葛年明,陳 杰. 基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化技術(shù)與應用, 2015,34(1):47-51.

[4] 陳 莉.基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點的設(shè)計[D].上海:上海交通大學，2008.

[5] 楊 柳. 基于ZigBee的無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[D]. 上海:上海交通大學，2008.

[6] 李志申. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計[D]. 天津：河北工業(yè)大學，2010．

[7] 蘭 羽，白 潔．基于MAX6675的多路測溫系統(tǒng)設(shè)計[J]．國外電子測量技術(shù),2013,32(8):74-76．

[8] 張 猛,房俊龍,韓 雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(S1):171-176．

[9] 王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[10] 李文促,段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京:北京航空航空大學出版社,2009.

[11] 覃 朗.基于WindowsCE 的智能家居終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].重慶：重慶大學，2009.

[12] 陳鈺瑩，付 蔚，劉謀黎. 基于WSN的智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(10):57-59, 63.

[13] 傅民倉，馮立杰，李文波.短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及其應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(11):15-17, 20.

[14] 周怡頲，凌志浩，吳勤勤. ZigBee無線通信技術(shù)及其應用探討[J]. 自動化儀表，2005(6):5-9.

[15] 吳光榮，全劍敏，章劍雄. 基于ZigBee技術(shù)的空調(diào)控制系統(tǒng)[J]. 機電工程，2009(7):11-13.

Research on Remote Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

FANYan1，YUYang2，LIYong-yi3，DINGYi-xing3

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164, China; 2. College of Electric Information Engineering, Jiangsu Institute of Technology, Changzhou 213164, China; 3. College of Transportation Science and Engineering,Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

Based on the Internet, mobile communication, WSN, sensor network and automatic control, a kind of remote monitoring scheme is presented. The design scheme of ZigBee/IP transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and Ethernet card. And the function of remote monitoring by Internet is achieved. The design scheme of ZigBee/GSM transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and MCU. And the function of remote monitoring is achieved by the mobile phone Internet. Based on ZigBee wireless sensor network, console software and web server software of the remote monitoring system are developed. And the basic platform of monitoring system for the smart home is constructed. The stability of data transmission is proved by the system debugging, between terminal nodes and the coordinator, coordinator and USB, console and Internet, coordination and the Ethernet module, coordinator and GSM module. The monitoring can be realized by the Internet or mobile terminal. When an abnormality is happened, the system can inform the people by the GSM network through sending short messages, calling, or alarming.

wireless sensor network; CC2430; IAR; C8051F320; KEIL C; MSP430; CP2200; C8051F

2015-05-10

國家自然科學基金青年項目(51278245);江蘇省高校自然科學基金面上項目(14KJB510010);常州市基礎(chǔ)研究計劃(CJ20140058)

范 燕(1981-)，女，江蘇如皋人，講師、工程師，主要研究方向：電子技術(shù)。E-mail:136029790@qq.com

TN 919.72

A

1006-7167(2016)01-0080-05