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一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

作者: 時間:2014-08-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  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)控的實現(xiàn)方法。采用溫濕度DHT11實現(xiàn)溫濕度的采集,煙霧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,從而實現(xiàn)對溫度和濕度的調(diào)節(jié),對熱水器的遠(yuǎn)程控制。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)體積小、功耗低、運行穩(wěn)定,具有一定的實際意義。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/256594.htm

  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,本文將技術(shù)結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器,實現(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)計需要在家庭內(nèi)部建立網(wǎng)路,將各種電器、納入其中,以實現(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;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、抗干擾性強等優(yōu)點;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,實時性好。

  嵌入式Web服務(wù)器實現(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。協(xié)調(diào)器和搭建了Web服務(wù)器的9芯片通過串口接在一起,而9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,然后實現(xiàn)對ZigBee終端節(jié)點的傳感器數(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。

  終端節(jié)點定期采集傳感器數(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,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9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,它是Chipcon公司推出的用來實現(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,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、性價比較高。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,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PIC12F629、紅外一體化接收頭、繼電器組成。

  3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

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

  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)周期又能增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序設(shè)計主要包括協(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,因為綁定表只建立在發(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,來實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的雙向通信。

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