西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄧天金 林曉毅 馬瑾瑜

0 引言

隨著高校的擴(kuò)招，在校學(xué)生的數(shù)量龐大，宿舍的安全和管理問(wèn)題日漸得到重視。傳統(tǒng)的宿舍管理模式存在著較大的弊端，如管理人員數(shù)量遠(yuǎn)少于需要管理的宿舍數(shù)量，使得監(jiān)管無(wú)法面面俱到，不僅讓管理人員面臨巨大的壓力，而且寢室的安全也無(wú)法保障。

針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議的宿舍管理系統(tǒng)。將每個(gè)宿舍視為終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)采集宿舍環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶也可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息尋求幫助，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，數(shù)據(jù)將被上傳到上位機(jī)并顯示，此時(shí)管理人員可以根據(jù)信息作出決策，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以CC2530單片機(jī)為核心控制器，終端的外圍設(shè)備分別為DHT11溫濕度傳感器模塊、OLED液晶顯示模塊、MQ-2煙霧傳感器模塊、繼電器、人體紅外、按鍵等。將每個(gè)終端的數(shù)據(jù)通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送到PC機(jī)，并在上位機(jī)上顯示出來(lái)。上位機(jī)主要顯示傳感器的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)異常（例如煙霧濃度過(guò)高）對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)則被點(diǎn)亮，提醒管理人員及時(shí)處理。用戶按下終端上“幫助”按鍵時(shí)，也會(huì)點(diǎn)亮上位機(jī)上對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

CC2530是專門針對(duì)IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的芯片。此外，CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)8051微處理器，8kB的RAM，32/64/128/256KB閃存，以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，性能高，易操作。

2.2 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，采用單總線接口，接線簡(jiǎn)單。工作電壓：3-5V的直流電壓。MQ-2煙霧傳感器：具有雙路信號(hào)輸出，TTL輸出有效信號(hào)為低電平，模擬亮輸出0～5V電壓，濃度越高，電壓越高。可用于工業(yè)氣體泄漏監(jiān)測(cè)，例如：液體氣，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氫氣，煙霧等。

2.3 人體紅外熱釋電傳感器

人體紅外熱釋電傳感器主要探測(cè)人體輻射。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感，當(dāng)傳感器接收到人體紅外輻射后產(chǎn)生溫度變化，電荷失去平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過(guò)電路處理后，能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

2.4 OLED液晶顯示屏

OLED液晶顯示屏是一款可以顯示中文，英文，數(shù)字的顯示屏，采用SPI通信，只需要占用4個(gè)IO口，體積小，使用方便，在終端顯示采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 組網(wǎng)流程

如圖2所示系統(tǒng)的組網(wǎng)流程。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，存在協(xié)調(diào)器，路由器和終端。（1）協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器上電后，會(huì)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(即PIN ID)隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)包就可以在指定的信道中進(jìn)行傳輸。當(dāng)協(xié)調(diào)器設(shè)備斷電時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就消失，協(xié)調(diào)器是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不可缺少且唯一的。（2）路由器：路由器在網(wǎng)絡(luò)中的主要功能是允許其他設(shè)備（終端）加入網(wǎng)絡(luò)。并且可以轉(zhuǎn)發(fā)終端的數(shù)據(jù)，可以擴(kuò)大終端數(shù)據(jù)的傳輸距離，由于宿舍樓層跨度大，數(shù)量多。所以網(wǎng)絡(luò)中用到大量路由器，轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。若是小規(guī)模，近距離的網(wǎng)絡(luò)中，可以不需要路由器，在網(wǎng)絡(luò)中路由器可以有多個(gè)但不是必要的。（3）終端：終端在網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，不能轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，一般網(wǎng)絡(luò)中依據(jù)需求可以有多個(gè)終端。

圖2 組網(wǎng)流程

組網(wǎng)流程：首先，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行信道掃描，找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡(luò)選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PIN ID）這個(gè)ID在所使用的信道中必須是唯一的，且協(xié)調(diào)器將自身網(wǎng)絡(luò)短地址設(shè)為0x0000，到此ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化完成。終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)會(huì)向協(xié)調(diào)器提出入網(wǎng)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器響應(yīng)后，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配不同的網(wǎng)絡(luò)短地址，通過(guò)這個(gè)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)以CC2530核心微控制器?；赯igBee協(xié)議，將眾多節(jié)點(diǎn)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍樓情況的監(jiān)控，終端上配備OLED，學(xué)生也可以通過(guò)OLED查看當(dāng)前宿舍的環(huán)境情況。而管理員則是通過(guò)上位機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)宿舍樓的情況。所以，本設(shè)計(jì)需要自主開發(fā)一款上位機(jī)，該設(shè)計(jì)上位機(jī)開發(fā)用到的是C#語(yǔ)言，且大多利用圖標(biāo)顯示，而不是純文本，使得可觀性更強(qiáng)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZigBee協(xié)議有廣闊的運(yùn)用前景。

引文

①彭燕.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(05).

②孫其博,劉杰,黎羴,范春曉,孫娟娟.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2010(03).

③王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009(12).

④黃汝銳.高校學(xué)生綜合樓智能電能計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(27).

⑤姚春.Zigbee在大數(shù)量節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中的問(wèn)題研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(02).