基于ZigBee與ARM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對有線組網(wǎng)方式布線復(fù)雜、維護(hù)困難的問題，提出了一種基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)和嵌入式Web服務(wù)器，對家庭環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。采用厥度傳感器DHT11實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集，煙霧傳感器MQ2監(jiān)測廚房煙霧濃度是否超標(biāo)，人體紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)家庭安防。并且通過紅外技術(shù)控制空調(diào)和加濕器或熱水器的打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對囟群褪度的調(diào)節(jié)，對熱水器的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)體積小、功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的實(shí)際意義。

在炎熱的夏季，下班回家后才把空調(diào)打開，卻還是很熱;想洗熱水澡，發(fā)現(xiàn)熱水器還沒有加熱;有急事需要出門，結(jié)果忘記關(guān)閉空調(diào)。為了解決上述問題，急需要一套對家電的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。于是，本文將ZigBee技術(shù)結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了一種對家庭溫濕度等環(huán)境因素的遠(yuǎn)程監(jiān)控，讓人們的生活更加方便、舒適。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)需要在家庭內(nèi)部建立網(wǎng)路，將各種電器、傳感器納入其中，以實(shí)現(xiàn)集中管理。家用電器位置容易改變，數(shù)量也容易變化，相對距離較短;ZigBee技術(shù)是一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的新型短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);文中應(yīng)用ZigBee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，接線簡單，性能穩(wěn)定可靠，功耗低，實(shí)時(shí)性好。

嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。由于HTML語言的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性，只要該嵌入式Web服務(wù)器接入Internet，就可以使用任意一種接入Internet的Web瀏覽器接收和發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)據(jù)的顯示，對家用電器的控制。

本設(shè)計(jì)的總體框架如圖1所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器和搭建了Web服務(wù)器的ARM9芯片通過串口接在一起，而ARM9又通過網(wǎng)口以網(wǎng)線連接路由器，進(jìn)而接入Internet。遠(yuǎn)程客戶端是連網(wǎng)的個人電腦，電腦上安裝有普通瀏覽器程序，通過普通瀏覽器登陸服務(wù)器，然后實(shí)現(xiàn)對ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)的顯示和對執(zhí)行電器的控制。

根據(jù)系統(tǒng)功能應(yīng)用，選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有唯一的協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。協(xié)調(diào)器將終端節(jié)點(diǎn)上傳的傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給嵌入式web服務(wù)器，將嵌入式web服務(wù)器傳過來的指令解析，并將控制命令下發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)定期采集傳感器數(shù)據(jù)，并上傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器;當(dāng)協(xié)調(diào)器下發(fā)控制命令時(shí)，根據(jù)命令激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號。執(zhí)行電器的紅外接收端接收到紅外信號后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2 硬件電路

嵌入式Web服務(wù)器以ARM9為硬件平臺，采用S3C2440芯片作為主處理器，主頻400 MHz，最高533 MHz，SDRAM作為內(nèi)存，F(xiàn)lash作為內(nèi)核和文件系統(tǒng)存儲芯片。

ZigBee模塊主芯片采用CC2430，它是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它結(jié)合一個高性能2.4GHzDSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。該芯片采用0.18μmCMOS工藝，工作電流損耗為27 mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25mA。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要參數(shù)要視具體應(yīng)用場合而定，此系統(tǒng)的應(yīng)用針對的是家庭，而人們對家庭環(huán)境的要求，最基本的就是溫度、濕度要合適，此外要防火防盜。家庭室內(nèi)環(huán)境溫度的范圍一般為0～35℃之間，相對濕度范圍在20～80%RH之間;當(dāng)環(huán)境溫度在18～25℃，相對濕度在40%～70%，時(shí)，人體感覺最舒適。基于此，選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。測量范圍是：相對濕度20～90%RH，溫度0～50℃;測量濕度的精度為±5%RH，測量溫度的精度為±2℃，均能滿足要求，并且抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比較高。其它傳感器選擇煙霧傳感器MQ2、HR-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。

傳感器MQ2保證正常工作的電壓為5 ±0.2 V，而CC2430的供電電壓為2～3.6 V，因此采用升壓模塊對其升壓后再給MQ2供電。圖2為Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)的部分電路連接圖，如圖所示電源VCC經(jīng)過升壓后再連接到傳感器模塊MQ2的電源端，然后MQ2的數(shù)字輸出端連接ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的通用I/O口P0.1。升壓電路功耗低，提供的電流也能滿足MQ2正常工作的要求。

為了降低成本，結(jié)合紅外技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制。這樣，每個房間只需一個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，其I/O端口除了連接傳感器外其余的還作為控制信號輸出端口使用?？照{(diào)遙控器按鍵是開關(guān)量，又多是兩節(jié)干電池供電，因此ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的I/O端口可以和空調(diào)遙控器上的幾個按鍵直接相連，這樣既能遠(yuǎn)程控制，又可以在本地通過遙控器控制空調(diào)的開關(guān)、溫度的調(diào)節(jié)。而電熱水器和加濕器沒有配套的遙控，因此在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接5 mm紅外發(fā)射管，采用軟件調(diào)制技術(shù)，激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號來實(shí)現(xiàn)對電熱水器和加濕器的遠(yuǎn)程控制，原理圖如圖3所示。

電熱水器和加濕器的開關(guān)處要增加一紅外接收電路。紅外接收電路由低成本低功耗的PIC單片機(jī)PIC12F629、紅外一體化接收頭、繼電器組成。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

采用TI公司半開源的Zstack協(xié)議棧-ZigBee2006，具體版本號為ZStack-1.4.3-1.2.1，既縮短了研發(fā)周期又能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要包括協(xié)議棧的配置和應(yīng)用層軟件的開發(fā)。圖4是協(xié)調(diào)器的程序流程圖。

本文采用的是雙向綁定的方法，因?yàn)榻壎ū碇唤⒃诎l(fā)起綁定的一方，對于被綁定方是不知道綁定方的綁定地址的。故而采取雙向綁定的方法，來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的雙向通信。

由于終端節(jié)點(diǎn)有多個，故而采用順序綁定的方法，即先設(shè)置綁定節(jié)點(diǎn)1，成功之后設(shè)置綁定節(jié)點(diǎn)2，依此類推直到綁定所有終端節(jié)點(diǎn)。在函數(shù)void zb_BindConfirm(uint16 commandId，uint8 status)中，標(biāo)志位count每完成一次協(xié)調(diào)器到終端節(jié)點(diǎn)的綁定，其值增一，以此記錄該綁定哪個終端節(jié)點(diǎn)。再利用if語句實(shí)現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)置綁定事件，進(jìn)而完成綁定工作。

在正常工作狀態(tài)下的協(xié)調(diào)器，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，會進(jìn)入應(yīng)用層進(jìn)行處理。調(diào)用函數(shù)zb_SendDataRequest(uint16 destination，uint16 commandId，uint8 len，uint8*pData，uint8 handle，uint8 txOptions，uint8 radius)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于不同終端節(jié)點(diǎn)的comma ndId不同，因此協(xié)調(diào)器只向commandId相匹配的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)去做相應(yīng)處理。

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行初始化，然后去發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行綁定等操作。之后進(jìn)入正常丁作狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)每隔10S采集一次傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組pData中，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)zb_SendDataRequest(OxFFFE，SENSOR_REPORT_CMD_ID，12，pData，0，AF_ACK_ REQUEST，0)，將所有數(shù)據(jù)一次性發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。圖5是終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

4 嵌入式web服務(wù)器

嵌入式Web服務(wù)器以linux為操作系統(tǒng)，通過搭建BOA服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對瀏覽器頁面訪問請求響應(yīng)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能。此外，結(jié)合CCI技術(shù)編寫HTML靜態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序，移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQlite，用以存儲合法用戶的用戶名和密碼，實(shí)現(xiàn)對登錄用戶的客戶驗(yàn)證功能;并且還能存儲由串口傳送來的傳感器數(shù)據(jù)，通過CGI程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫的最新數(shù)據(jù)，由BOA服務(wù)器返回給瀏覽器實(shí)現(xiàn)對家庭傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

ARM9除了BOA服務(wù)器一直在運(yùn)行，還有串口應(yīng)用程序也在不斷監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)需要接收或者發(fā)送。設(shè)計(jì)所用ARM9開發(fā)板有3個UART，選用串口1，主要寄存器設(shè)置如下：

CPHCON=0xa00;

ULCON1=0x03;//數(shù)據(jù)格式為8位，一停止位，無校驗(yàn)位

UCON1=0x05;//時(shí)鐘源為pclk，查詢方式

UBRDIV1=(PCLK/(115200 x 16)-1);//設(shè)置波特率115200

5 系統(tǒng)測試

本設(shè)計(jì)以一個協(xié)調(diào)器和5個終端節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行測試，5個終端節(jié)點(diǎn)分別放在5個房間-客廳、主臥室、次臥室、衛(wèi)生間、廚房內(nèi)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器放在主臥室。在PC機(jī)上打開瀏覽器，輸入http：//192.168.1.230，即出現(xiàn)登陸頁面，輸入用戶名、密碼認(rèn)證成功后，即出現(xiàn)主頁面，如圖6，是本系統(tǒng)默認(rèn)主頁面，顯示內(nèi)容為房間名稱、電池電量、溫濕度、是否有人活動等情況，默認(rèn)情況下空調(diào)、加濕器都是關(guān)閉的。

如圖7所示，通過選擇頁面上空調(diào)的開啟選項(xiàng)，瀏覽器將命令傳給CGI程序，CGI程序調(diào)用應(yīng)用程序，使ARM9經(jīng)由串口發(fā)送2個字節(jié)控制命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，1個字節(jié)裝載的是房間編號信息，即ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，另一個字節(jié)裝載的是控制命令數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將命令下發(fā)給客廳中的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將控制命令數(shù)據(jù)譯成對P2.1口輸出低電平，相當(dāng)于空調(diào)遙控器開關(guān)按鍵按下，空調(diào)相應(yīng)打開。再在頁面上選擇空調(diào)調(diào)節(jié)溫度選項(xiàng)“降溫”，然后點(diǎn)擊“提交”按鈕，經(jīng)由相似過程，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)控制P1.2輸出低電平，相當(dāng)于空調(diào)遙控器降溫按鍵按下，客廳溫度降低，在網(wǎng)頁上點(diǎn)擊3次按鈕“提交”，客廳溫度降至25℃。

通過實(shí)驗(yàn)，可以知道本系統(tǒng)能能實(shí)現(xiàn)以下功能：對家庭各個房間的溫度和濕度實(shí)時(shí)顯示，能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫度和濕度，遠(yuǎn)程打開熱水器開關(guān)對其加熱，當(dāng)房間有人活動時(shí)能在監(jiān)控頁面顯示出來，廚房煙霧濃度是否超標(biāo)也能在頁面顯示。

6 結(jié)束語

文中所述的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在家庭環(huán)境中，既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測家中各個房間的溫濕度狀況，也能控制家中空調(diào)、加濕器的打開或者關(guān)閉狀態(tài)從而調(diào)節(jié)溫濕度，營造一個舒適宜人的環(huán)境。煙霧傳感器能實(shí)現(xiàn)煙霧濃度超標(biāo)檢測，使用人體紅外模塊可實(shí)現(xiàn)家庭安防功能。電池電量檢測能即時(shí)提醒更換電池。若對本設(shè)計(jì)做微小改動，添加房間數(shù)量或減少數(shù)量，或者改變傳感器類別實(shí)現(xiàn)其他功能，可擴(kuò)展性較強(qiáng)。