衛(wèi)珊 徐文超 吳宏昊 史安榮

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基于ZigBee的智能樓宇遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

衛(wèi)珊 徐文超 吳宏昊 史安榮

天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300134

將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于智能樓宇系統(tǒng)之中，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)遠(yuǎn)程控制端，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離管理設(shè)備，為用戶提供安全舒適、高效便利的樓宇環(huán)境。系統(tǒng)采用STC89C52為主控芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的硬件部分，通過溫濕度、光照、煙霧等傳感器模塊進(jìn)行樓宇信息采集及環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)顯示在客戶端，采用繼電器控制直流無刷電機(jī)使溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)；若煙霧數(shù)據(jù)異常，繼電器控制啟動(dòng)報(bào)警裝置。用戶可隨時(shí)隨地在手機(jī)遠(yuǎn)程控制端或PC機(jī)客戶端上調(diào)節(jié)燈光、溫度的狀態(tài)。經(jīng)測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫濕度、光、煙霧等的遠(yuǎn)程信息采集和控制，系統(tǒng)的各個(gè)模塊工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，終端節(jié)點(diǎn)功耗低，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

ZigBee；STC89C52；CC2530；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

引言

隨著建筑技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型的建筑類型——智能樓宇產(chǎn)生。智能樓宇以建筑為平臺(tái)，將通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及在此基礎(chǔ)上的系統(tǒng)集成和服務(wù)管理進(jìn)行優(yōu)化組合，形成安全、高效、舒適、便利、節(jié)能的建筑環(huán)境。智能樓宇系統(tǒng)由很多傳感器組建而成。與有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有部署方便、靈活性高、維護(hù)成本低等優(yōu)勢，特別是近幾年新興的ZigBee技術(shù)，以距離短、速率低、復(fù)雜度低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大及成本低的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1]，為樓宇遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有力支持。本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的智能樓宇遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)，可應(yīng)用于居住小區(qū)、辦公樓、商場等地方。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

（1）樓宇內(nèi)部溫度、濕度可控，始終維持在設(shè)定范圍。

（2）在手機(jī)/PC終端可實(shí)時(shí)查詢樓宇內(nèi)部設(shè)備工作狀態(tài)或遠(yuǎn)程啟?？刂圃O(shè)備。

（3）具有防火報(bào)警功能，通過設(shè)置煙霧傳感器，當(dāng)信號值高于閾值時(shí)啟動(dòng)樓宇內(nèi)部報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)由下到上的感知層、傳輸層和應(yīng)用層的典型應(yīng)用體系架構(gòu)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)控制核心、手機(jī)遠(yuǎn)程控制器。終端采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集整個(gè)樓宇內(nèi)環(huán)境信息，包括溫濕度、光照和煙霧濃度等，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳給MCU，由MCU分析判斷是否這些指標(biāo)存在異常，以便及時(shí)做出相應(yīng)處理。如果存在異常，就會(huì)自動(dòng)向用戶控制終端發(fā)送報(bào)警信號，報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警。用戶可以通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接在PC機(jī)上對樓宇環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，也可以通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)遠(yuǎn)程控制器上實(shí)時(shí)查看和控制樓宇內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

采用STC89C52作為系統(tǒng)控制核心，CC2530作為組建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器通過CC2530射頻模塊實(shí)現(xiàn)與終端節(jié)點(diǎn)的無線通信，并通過Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)分為終端采集節(jié)點(diǎn)和終端控制節(jié)點(diǎn)兩類，分別設(shè)置傳感器模塊和終端控制模塊，如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832以及電源供電電路。

2.1.1煙霧傳感器

采用MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信號，將檢測的煙霧濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號[2]，再經(jīng)ADC0832將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后送入單片機(jī)與閾值濃度進(jìn)行比較。若高于閾值，單片機(jī)就會(huì)發(fā)送報(bào)警命令送入蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出響聲進(jìn)行報(bào)警。

2.1.2 溫濕度傳感器

采用DHT11作為溫濕度傳感器。DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并且與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[3]，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。它有四個(gè)引腳，DATA引腳采用單總線，采集到的數(shù)據(jù)通過串行方式傳送到外設(shè)上。因此設(shè)計(jì)電路時(shí)不需要外加其他元器件，DHT11就可以串行通信方式將采集到的溫濕度信息傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器。

2.1.3 光照傳感器

采用一個(gè)光敏電阻和一個(gè)電壓比較器LM393。光線充足時(shí)，光敏電阻阻值很小，輸出端為低電平；光線變暗時(shí)，光敏電阻阻值很大，輸出端為高電平。采集到的光照信息經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器傳到PC機(jī)或通過系統(tǒng)控制中心最終傳到手機(jī)控制終端。

2.2 終端控制模塊

負(fù)責(zé)接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸?shù)闹噶畈?jù)此執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。它主要包括繼電器、直流無刷電機(jī)、報(bào)警器三部分。報(bào)警器采用一個(gè)蜂鳴器。

2.2.1 繼電器

采用一個(gè)電磁繼電器，其主要作用是當(dāng)單片機(jī)輸出動(dòng)作信號時(shí)銜鐵片和觸頭相接觸電路接通，無動(dòng)作信號時(shí)電路斷開，達(dá)到電路開關(guān)目的。電磁繼電器包括下列組件：感應(yīng)線圈、鐵芯、銜鐵片、觸頭等。當(dāng)感應(yīng)線圈兩端加上電壓時(shí)，電流流過并在其附近產(chǎn)生磁場，銜鐵片受磁力吸引向下，帶動(dòng)銜鐵片的動(dòng)觸頭與靜觸頭相接合；當(dāng)感應(yīng)線圈斷電時(shí)，其磁性消失致使銜鐵片的磁力消失，銜鐵片在彈簧的反作用力返回到原來位置，銜鐵片動(dòng)觸頭與靜觸頭自然分開[4]。

2.2.2 直流無刷電機(jī)

直流無刷電機(jī)系統(tǒng)由直流電源、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電動(dòng)機(jī)本體和位置傳感器幾部分構(gòu)成，由單片機(jī)STC89C52通過PWM脈寬調(diào)制控制直流電機(jī)的速度。其控制原理是先由溫度傳感器模塊檢測環(huán)境溫度，然后由單片機(jī)對室溫進(jìn)行判斷，當(dāng)室溫低于設(shè)定溫度的下限時(shí)，電機(jī)不工作，表明室內(nèi)無需降溫；當(dāng)室溫高于設(shè)定溫度的上限時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)則以最快速度運(yùn)行；當(dāng)室溫介于兩者之間時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增加然后維持恒定轉(zhuǎn)速；當(dāng)室溫降到下限值時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行，表明此次降溫過程完成。

2.3 ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和管理以及無線數(shù)據(jù)傳輸。該模塊采用TI公司的CC2530為核心控制芯片，通過CC2530射頻模塊與終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，通過RS232串口電路與系統(tǒng)控制核心進(jìn)行通信。

CC2530是針對IEEE?802.15.4、ZigBee、推出的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它融合了增強(qiáng)型8051MCU和RF收發(fā)器，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性，具有5通道DMA控制器、4個(gè)定時(shí)器和一個(gè)睡眠定時(shí)器、8通道12位ADC、AES協(xié)處理器、2個(gè)支持多種串行通信的USART、21個(gè)通用I/O引腳，采用2～3.6?V電池供電，提供了5種電源模式，具有低功耗和高性能[5]。

2.4 STC89C52

系統(tǒng)控制中心MCU采用ATMEL公司的STC89C52。片內(nèi)具有6個(gè)中斷源、全雙工串行UART通道、4K字節(jié)的在線編程Flash存儲(chǔ)器，擦寫周期1000次，具有掉電狀態(tài)下的中斷恢復(fù)功能，對設(shè)計(jì)開發(fā)非常實(shí)用[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用軟件開發(fā)工具IAR Embedded Workbench for 8051及TI公司的Z-Stack 協(xié)議棧，完成應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、手機(jī)客戶端三部分。

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、維護(hù)以及接收傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，由協(xié)調(diào)器對給加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。該終端節(jié)點(diǎn)會(huì)接收MCU發(fā)送的控制命令，并依據(jù)此命令采集、上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖3所示。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)的功能是加入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)采集并上報(bào)節(jié)點(diǎn)信息、接收控制命令并執(zhí)行。本次設(shè)計(jì)主要從節(jié)點(diǎn)接收控制命令方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用串口控制協(xié)議對無線通信進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)傳遞、參數(shù)訪問等。

（1）控制命令的幀格式

控制命令從遠(yuǎn)程控制端通過協(xié)調(diào)器到達(dá)終端節(jié)點(diǎn)，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳遞和控制命令解析。本系統(tǒng)采用32位幀結(jié)構(gòu)，通信幀格式

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器流程圖

如表1所示。命令頭用于表示不同的命令類型，命令類型如表2所示。

表1 通信幀格式

字節(jié)1字節(jié)2～4字節(jié)4～12字節(jié)12～14字節(jié)14～30字節(jié)31字節(jié)32 幀頭命令頭物理地址網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)據(jù)緩沖區(qū)校驗(yàn)區(qū)幀尾

表2 命令類型

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)4A 4F 4E 報(bào)警器控制53 42 4A 溫濕度控制53 4D 53 光照控制57 42 4C 煙霧53 43 4C

（2）對控制命令的無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息，每個(gè)消息都有自己的消息ID，然后放入消息隊(duì)列中[7]，再接收和處理新數(shù)據(jù)，過程如下：首先從消息隊(duì)列中接收一個(gè)消息，然后根據(jù)消息ID對消息類型進(jìn)行判斷，如果是新消息，則進(jìn)行根據(jù)數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

3.3 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

采用Java語言搭建Android 4開發(fā)環(huán)境，首先是界面設(shè)計(jì)，包括IP輸入、Port輸入、連接按鈕、接受信息文本框、輸入框、發(fā)送按鈕，然后為對應(yīng)控件添加相應(yīng)功能。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 組網(wǎng)測試

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有樓宇內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)正常、數(shù)據(jù)傳輸正確，才能進(jìn)一步測試系統(tǒng)其他功能。

組網(wǎng)程序的測試過程如下：

（1）下載組網(wǎng)程序

本次測試包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和五個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。將Coordinator.hex和End Device 1-5.hex分別下載到ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。

（2）設(shè)備硬件連接

將協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的外圍電路接好，將協(xié)調(diào)器通過串口RS-232與PC機(jī)相連，使用5?V適合電源給協(xié)調(diào)器供電，然后打開串口調(diào)試助手，確保終端節(jié)點(diǎn)的跳線設(shè)置為工作模式，分別打開電源開關(guān)。

（3）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

使用串口助手發(fā)送查詢命令測試，給協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)命令頭為54 43 4B的32位數(shù)據(jù)，如果協(xié)調(diào)器回送一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的前兩位為4F 4B的32位數(shù)據(jù)，則表示協(xié)調(diào)器開啟且工作正常。終端節(jié)點(diǎn)上電后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送給協(xié)調(diào)器一個(gè)命令頭為4A 4F 4E的32位數(shù)據(jù)，表示該終端節(jié)點(diǎn)成功加入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)[7]。

4.2 系統(tǒng)整體測試

在系統(tǒng)整體測試中，將終端節(jié)點(diǎn)分別接上電源，協(xié)調(diào)器通過串口連接到PC機(jī)，也可經(jīng)SPI與MCU連接，再經(jīng)過Wi-Fi模塊最終連接到Internet網(wǎng)。

依據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行整體測試。測試過程如下。

（1）先給協(xié)調(diào)器上電，再打開上位機(jī)程序，由于使用的USB轉(zhuǎn)串口，程序自動(dòng)識別串口。此時(shí)協(xié)調(diào)器D3常亮，表明協(xié)調(diào)器工作正常。

（2）給各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上電，此時(shí)D1閃爍，終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)成功后，D3常亮。按下終端S1按鍵開始上傳數(shù)據(jù)，如需停止上傳再按一下S1按鍵。

（3）登錄客戶端，輸入密碼和服務(wù)器IP地址，通過權(quán)限認(rèn)證并連接到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

（4）開啟無線路由器，手機(jī)打開Wi-Fi并連接好后，先點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，輸入PC機(jī) IP 地址后點(diǎn)連接，手機(jī)顯示連接成功后，會(huì)自動(dòng)刷新數(shù)據(jù)。

（5）添加所需監(jiān)測的樓宇設(shè)備，添加完畢后，設(shè)備列表內(nèi)出現(xiàn)所有終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備名稱。

（6）添加設(shè)備選擇功能后，終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（7）打開報(bào)警器，當(dāng)測試氣體濃度高于閾值600?ppm時(shí)，客戶端出現(xiàn)報(bào)警提示信息。關(guān)閉報(bào)警器后，無提示信息。

（8）手機(jī)或PC機(jī)上設(shè)定溫、濕度范圍分別為18～25?℃、30%～60%，實(shí)際測試中溫、濕度均保持在該范圍內(nèi)。

通過以上測試，表明本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對溫濕度、光照、煙霧等的遠(yuǎn)程信息采集和控制。系統(tǒng)的各個(gè)模塊工作穩(wěn)定、功耗低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的智能樓宇遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過PC機(jī)客戶端監(jiān)控樓宇設(shè)備信息，也可通過移動(dòng)控制終端遠(yuǎn)程控制。通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，同時(shí)解決了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜和排查困難等問題；通過Wi-Fi解決了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸距離局限性問題，將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)監(jiān)控終端實(shí)時(shí)查詢樓宇內(nèi)部設(shè)備工作狀態(tài)或遠(yuǎn)程啟?？刂圃O(shè)備。此外，樓宇內(nèi)部溫、濕度智能自動(dòng)調(diào)整，通過監(jiān)測異常數(shù)據(jù)并發(fā)送到終端用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)防火報(bào)警功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)各模塊工作穩(wěn)定，方便靈活，可廣泛應(yīng)用，具有良好的市場價(jià)值。

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Design of Remote Control of Intelligent Building Based on ZigBee

Wei Shan Xu Wenchao Wu Honghao Shi Anrong

School of Information Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134

In the paper, ZigBee technology is applied to the intelligent building system, through the ZigBee wireless network, Wi-Fi network and mobile phone remote control terminal to manage equipment in real time and remotely, the building environment which is safe and comfortable, efficient and convenient is provided to users. The STC89C52 as the main control chip is used in the building system, and the hardware parts of the coordinator and the terminal node can be designed and implemented. The data of building information and monitoring the environment state which is displayed on the client terminal are to be collected by sensor modules, such as temperature, humidity, light, and smog. In the system, a relay is used to control the brushless DC motor to keep the temperature within the set range and control starting alarm device if the smog data is abnormal. The user can adjust the state of light and temperature on mobile phone remote control terminal or PC client terminal at any time and place. In the test, the system has realized remote information collection and control of temperature, humidity, light and smog. It can achieve the desired goal that all modules of the system work stably with strong anti-interference ability and low power consumption of the terminal node.

ZigBee; STC89C52; CC2530; Wireless Sensor Network; Internet of Things

TU855

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