高尚欣 孫培巖 滿長忠 唐運(yùn)榜

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000）

我國國民生活水平逐漸上升，環(huán)保健康的生活理念不斷深入人心，人們對于室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有了更高的要求。新風(fēng)除濕系統(tǒng)的引入，彌補(bǔ)了空氣凈化器只能在室內(nèi)自循環(huán)的缺點(diǎn)，結(jié)合通風(fēng)設(shè)施和過濾系統(tǒng)，可有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量[1]。文章基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，結(jié)合嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)除濕系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能控制。

1 新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)控制端，控制端包括家居中央控制面板以及手機(jī)App移動控制端，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

文章采用ZigBee技術(shù)搭建家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)傳感器和新風(fēng)除濕等終端控制模塊接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。將采集的家居環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息、網(wǎng)絡(luò)狀況上報(bào)家庭網(wǎng)關(guān)，并接收控制端命令、網(wǎng)絡(luò)配置等信息，并在家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)路由，保證目的設(shè)備接收并執(zhí)行。

文章采用物聯(lián)型串口觸摸屏作為系統(tǒng)的家居中央控制面板，通過串口和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，從而獲取家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息并在顯示屏中展示，同時(shí)通過面板觸控下發(fā)控制命令。物聯(lián)型串口屏可以通過內(nèi)置WiFi模塊連接阿里云平臺，為家庭網(wǎng)關(guān)和云平臺建立遠(yuǎn)程通信，依托阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行手機(jī)App開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)除濕系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制以及控制端的遠(yuǎn)程通信同步。

2 搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)方案

無線傳感網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測、控制以及無線通信技術(shù)的多跳自組織無線網(wǎng)絡(luò)，可以將一系列空間分散的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線連接，將各自采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯總，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)環(huán)境狀況的協(xié)同監(jiān)控，并執(zhí)行分析和處理[2]。

ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4建立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種新興的近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、自組網(wǎng)且可靠較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]，可以嵌入各類型設(shè)備中，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、傳感監(jiān)控、智能家居和智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是目前最適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入端的無線通信技術(shù)。

在進(jìn)行ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，硬件方面需要支持ZigBee 底層協(xié)議，軟件方面需要ZigBee協(xié)議棧的支持，ZigBee協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)路由等通信功能，硬件芯片模塊則負(fù)責(zé)承載協(xié)議棧的運(yùn)行并完成相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和終端控制功能。文章采用以CC2530無線射頻芯片為核心，執(zhí)行Z-Stack協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案，建立ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)

協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備工作流程如圖2、圖3所示，根據(jù)流程進(jìn)行ZigBee軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程

圖3 終端設(shè)備工作流程

在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將作為系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)，而終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)依據(jù)功能分為傳感節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩種類型，通過建立星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形成無線連接，建立綁定關(guān)系。終端傳感節(jié)點(diǎn)通過連接各類傳感器，獲取環(huán)境溫濕度、空氣質(zhì)量等外界信息，協(xié)調(diào)器采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各終端傳感節(jié)點(diǎn)信息，通過串口將采集的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器也接收系統(tǒng)控制端發(fā)出的新風(fēng)除濕控制命令，并轉(zhuǎn)發(fā)至終端控制節(jié)點(diǎn)具體執(zhí)行。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為采集節(jié)點(diǎn)在上電激活后負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)配置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信息、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾硪约靶畔⑸蠄?bào)網(wǎng)關(guān)等功能；終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在上電啟動后加入網(wǎng)絡(luò)，自動發(fā)起綁定請求，與采集節(jié)點(diǎn)建立綁定之后，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的環(huán)境信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器采集節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)將接收并執(zhí)行協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制命令信息。

2.3 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件支持

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)絡(luò)的總控制器，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、節(jié)點(diǎn)綁定以及信息上傳網(wǎng)關(guān)等功能。為保證充足的存儲資源和計(jì)算能力，應(yīng)在CC 2530最小模塊的基礎(chǔ)之上，增加供電電路、JTAG接口、按鍵等關(guān)鍵電路，就可以充分滿足ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件需求。

終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感設(shè)備和執(zhí)行器，主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集和終端控制等具體功能，當(dāng)上電激活加入網(wǎng)絡(luò)并和協(xié)調(diào)器建立綁定關(guān)系之后，需要進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸，并能夠靈活迅速地執(zhí)行控制命令。在終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證硬件能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定組網(wǎng)、入網(wǎng)以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)通信能力，需要準(zhǔn)確的信息感知模塊以及靈活的控制模塊。

文章采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集家居環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)信息，DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，并且采用專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，以此確保產(chǎn)品的高可靠性[4]。此外，本文使用SGP 30氣體傳感器采集室內(nèi)空氣質(zhì)量信息，其中最主要的是測量CO2和TVOC濃度。

終端控制節(jié)點(diǎn)作為執(zhí)行器接收控制端命令對新風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此控制節(jié)點(diǎn)要實(shí)際接入各新風(fēng)除濕機(jī)組的控制端，并通過繼電器電路等中繼控制模塊驅(qū)動各個(gè)機(jī)組，控制新風(fēng)除濕開關(guān)、風(fēng)速調(diào)節(jié)以及模式切換等具體功能的實(shí)現(xiàn)。

完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端傳感節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)之后，通過JTAG接口將程序依次燒錄至各個(gè)ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)，上電激活之后即可組成ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家庭范圍內(nèi)各個(gè)傳感設(shè)備和控制設(shè)備之間協(xié)同工作。

3 新風(fēng)除濕系統(tǒng)控制端設(shè)計(jì)

新風(fēng)除濕系統(tǒng)具有家居中央控制面板控制和手機(jī)App遠(yuǎn)程控制兩種控制方式。文章采用廣州大彩物聯(lián)型串口觸摸屏作為新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)中央控制顯示面板，通過串口和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，從而獲取家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息并在顯示屏上直觀展示，同時(shí)通過面板觸控下發(fā)控制命令，使新風(fēng)除濕系統(tǒng)的監(jiān)測與控制更加直觀、方便和快捷。此外，物聯(lián)型串口屏可以通過內(nèi)置WiFi模塊和阿里云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且依托云平臺進(jìn)行手機(jī)App開發(fā)[5]，實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)除濕系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

家居控制面板開發(fā)過程中，控制面板界面UI設(shè)計(jì)以新風(fēng)除濕系統(tǒng)控制端的功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，進(jìn)行功能導(dǎo)航圖標(biāo)和背景設(shè)計(jì)，同時(shí)對主界面和各個(gè)功能界面進(jìn)行合理布局，使用Visual TFT工程軟件進(jìn)行功能開發(fā)，利用按鈕、開關(guān)、菜單欄、二維碼等組態(tài)控件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求，以LUA腳本語言進(jìn)行復(fù)雜邏輯功能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)。

新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)中央控制界面如圖4所示。

圖4 新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)中央控制界面

作為新風(fēng)除濕系統(tǒng)的家居中央控制面板，可以在屏幕上實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息，包括溫濕度、空氣質(zhì)量等，通過控制中心對新風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制、風(fēng)速調(diào)節(jié)和輔助功能管理，能夠自由切換新風(fēng)除濕系統(tǒng)工作模式。作為家庭網(wǎng)關(guān)，中控顯示屏可以連接室內(nèi)WiFi，與阿里云端服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)手機(jī)App遠(yuǎn)程通信。

手機(jī)App界面如圖5所示。

圖5 手機(jī)App界面

使用阿里云提供的生活物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行手機(jī)端App開發(fā)，創(chuàng)建新風(fēng)除濕系統(tǒng)項(xiàng)目和產(chǎn)品，根據(jù)新風(fēng)除濕系統(tǒng)的實(shí)際功能需求對系統(tǒng)屬性進(jìn)行功能定義，包括設(shè)備的屬性、服務(wù)和事件，之后進(jìn)入人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)開發(fā)配置手機(jī)App，完善新風(fēng)除濕系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，同時(shí)和家居中控顯示屏建立關(guān)聯(lián)，并提高整體的界面美觀性。App開發(fā)完成后可進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和產(chǎn)品發(fā)布，添加串口屏設(shè)備和App建立關(guān)聯(lián)，選擇對應(yīng)的WiFi芯片模組，獲取阿里云平臺生成的設(shè)備激活碼（三元組），并通過LUA腳本配置將其燒錄至屏幕。串口屏在連接WiFi之后，掃描顯示屏云端界面二維碼可將手機(jī)App和串口屏之間建立綁定關(guān)系，手機(jī)App可通過云端服務(wù)器向串口屏下發(fā)數(shù)據(jù)命令，同時(shí)屏幕的控制狀態(tài)和參數(shù)也會上傳至阿里云服務(wù)器，移動端同步更新，實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端和手機(jī)App端的遠(yuǎn)程通信。

4 結(jié)語

文章基于ZigBee的新風(fēng)除濕控制系統(tǒng)搭建了組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展的家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠使數(shù)據(jù)的路由傳輸更加安全可靠，還可以集成更多家居家電的控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提供了更加人性化的交互界面以及遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，兼顧了家居中央控制面板和手機(jī)App遠(yuǎn)程控制兩種控制方式，有效完成了設(shè)備-云端-App的互聯(lián)互通。