基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

唐祥瑋

摘 要：智能化家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。本文通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)與ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，嵌入式網(wǎng)關(guān)采用RT5350 CPU為核心，構(gòu)建嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)，嵌入式通過(guò)PPPOE撥號(hào)連接寬帶接入公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)Android客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；嵌入式網(wǎng)關(guān)

1 研究背景

隨著電子技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)的科技飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，智能化的家電管理系統(tǒng)逐漸形成了控制的核心結(jié)果。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)線傳感技術(shù)在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中占有了一席之地。

本文通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)與ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功能上應(yīng)達(dá)到如下需求：

（1）自動(dòng)化控制：系統(tǒng)檢測(cè)到有害氣體的泄漏時(shí)，能自動(dòng)及時(shí)關(guān)閉氣體閥門，無(wú)需用戶干預(yù)，保證安全與及時(shí)。

（2）實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)，從而用戶可以及時(shí)采取有效措施進(jìn)行預(yù)防損害；

（3）高效和可靠性：對(duì)用戶要求快速執(zhí)行相應(yīng)的操作；

（4）可擴(kuò)展性：可增加ZigBee終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)具體環(huán)境的其他檢測(cè)，如光照強(qiáng)度、人體紅外數(shù)據(jù)等，根據(jù)具體要求而設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)；

2 監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用的主要設(shè)備有協(xié)調(diào)器設(shè)備、多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，通過(guò)控制繼電器的電平高低來(lái)控制空調(diào)等家電設(shè)備。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境，并根據(jù)用戶的需求，達(dá)到控制家庭電器（空調(diào)等）設(shè)備，從而創(chuàng)造一個(gè)良好的舒適和安全的家庭環(huán)境；檢測(cè)有害氣體的泄漏，蜂鳴器報(bào)警，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉氣體閥門，并報(bào)警，提示用戶當(dāng)前有有害氣體泄漏，從而大大減小對(duì)人們的傷害和降低財(cái)產(chǎn)損失；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，用戶通過(guò)外網(wǎng)訪問(wèn)對(duì)家庭的環(huán)境情況了如指掌。

3 監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由ZigBee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成，如圖2所示：

本硬件系統(tǒng)采用德州儀器（Texas Instruments）公司的CC2530核心板，實(shí)現(xiàn)了ZigBee無(wú)線網(wǎng)通信技術(shù)。設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，用來(lái)滿足系統(tǒng)的需求。本文的ZigBee協(xié)議棧采用德州儀器（Texas Instruments）公司的Z-stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧是基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的，其核心思想是"輪轉(zhuǎn)"和"查詢"。隨著ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多芯片公司投身于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的研發(fā)，并相繼推出了各自的ZigBee芯片[11]。ZigBee系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)套件主要包括：USB在線仿真器、無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器、ZigBee無(wú)線射頻模塊、2.4G天線、電源（5V）、協(xié)議分析儀、USB連線和USB轉(zhuǎn)RS-232連接線。

嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件采用RT5350系列處理器，RT5350的 SoC 結(jié)合了Ralink的802.11n兼容1T1R MAC/BBP/PA/RF和高性能360MHz MIPS24KEc CPU核心。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)和OSAL運(yùn)行機(jī)制、添加用戶端口程序、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、OpenWrt通信模塊程序和Android應(yīng)用程序。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要功能是通過(guò)在ZigBee底層自定義通信協(xié)議來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，系統(tǒng)把傳感器采集到的數(shù)據(jù)反饋給用戶管理系統(tǒng)。在Android查詢數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了定時(shí)器，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不停的發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文給下位機(jī)，查詢終端上所有傳感器的數(shù)據(jù)，下位機(jī)收到數(shù)據(jù)就會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)給Android用戶控制系統(tǒng)。

5 總結(jié)

基于ZigBee技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用，其核心是組網(wǎng)功能。本文研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)傳感器的驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行了深入分析和調(diào)試，使得傳感器可以獲取更精確的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信，加強(qiáng)了對(duì)CC2530單片機(jī)的硬件學(xué)習(xí)和組網(wǎng)技術(shù)分析，為后續(xù)相關(guān)研究工作的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

（作者單位：賀州市八步區(qū)南鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府）