基于ZigBee與ARM的遠程監控系統設計與實(shí)現

摘要：針對有線(xiàn)組網(wǎng)方式布線(xiàn)復雜、維護困難的問(wèn)題，提出了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)和嵌入式Web服務(wù)器，對家庭環(huán)境進(jìn)行遠程監控的實(shí)現方法。采用厥度傳感器DHT11實(shí)現溫濕度的采集，煙霧傳感器MQ2監測廚房煙霧濃度是否超標，人體紅外感應模塊實(shí)現家庭安防。并且通過(guò)紅外技術(shù)控制空調和加濕器或熱水器的打開(kāi)或關(guān)閉，從而實(shí)現對囟群褪度的調節，對熱水器的遠程控制。實(shí)驗結果表明，該系統體積小、功耗低、運行穩定，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打開(kāi)，卻還是很熱;想洗熱水澡，發(fā)現熱水器還沒(méi)有加熱;有急事需要出門(mén)，結果忘記關(guān)閉空調。為了解決上述問(wèn)題，急需要一套對家電的遠程控制系統。于是，本文將ZigBee技術(shù)結合嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現了一種對家庭溫濕度等環(huán)境因素的遠程監控，讓人們的生活更加方便、舒適。

1 系統概述

本設計需要在家庭內部建立網(wǎng)路，將各種電器、傳感器納入其中，以實(shí)現集中管理。家用電器位置容易改變，數量也容易變化，相對距離較短;ZigBee技術(shù)是一種符合國際標準的新型短距離無(wú)線(xiàn)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(diǎn);文中應用ZigBee技術(shù)組建家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，性能穩定可靠，功耗低，實(shí)時(shí)性好。

嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)絡(luò )的連接。由于HTML語(yǔ)言的標準統一性，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)現對家庭網(wǎng)絡(luò )中傳感器數據的顯示，對家用電器的控制。

本設計的總體框架如圖1所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò )包括網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和終端節點(diǎn)。協(xié)調器和搭建了Web服務(wù)器的ARM9芯片通過(guò)串口接在一起，而ARM9又通過(guò)網(wǎng)口以網(wǎng)線(xiàn)連接路由器，進(jìn)而接入Internet。遠程客戶(hù)端是連網(wǎng)的個(gè)人電腦，電腦上安裝有普通瀏覽器程序，通過(guò)普通瀏覽器登陸服務(wù)器，然后實(shí)現對ZigBee終端節點(diǎn)的傳感器數據的顯示和對執行電器的控制。

根據系統功能應用，選用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。此網(wǎng)絡(luò )結構中有唯一的協(xié)調器，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心，負責網(wǎng)絡(luò )的建立和維護。協(xié)調器將終端節點(diǎn)上傳的傳感器數據通過(guò)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(guò)來(lái)的指令解析，并將控制命令下發(fā)給終端節點(diǎn)。

終端節點(diǎn)定期采集傳感器數據，并上傳給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器;當協(xié)調器下發(fā)控制命令時(shí)，根據命令激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號。執行電器的紅外接收端接收到紅外信號后，執行相應的操作。

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作為內存，Flash作為內核和文件系統存儲芯片。

ZigBee模塊主芯片采用CC2430，它是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現嵌入式ZigBee應用的片上系統。它結合一個(gè)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。

監控系統的主要參數要視具體應用場(chǎng)合而定，此系統的應用針對的是家庭，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;當環(huán)境溫度在18～25℃，相對濕度在40%～70%，時(shí)，人體感覺(jué)最舒適?；诖?，選用數字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。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(mǎn)足要求，并且抗干擾能力強、性?xún)r(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終端節點(diǎn)的部分電路連接圖，如圖所示電源VCC經(jīng)過(guò)升壓后再連接到傳感器模塊MQ2的電源端，然后MQ2的數字輸出端連接ZigBee終端節點(diǎn)的通用I/O口P0.1。升壓電路功耗低，提供的電流也能滿(mǎn)足MQ2正常工作的要求。

為了降低成本，結合紅外技術(shù)來(lái)實(shí)現對家用電器的控制。這樣，每個(gè)房間只需一個(gè)ZigBee終端節點(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{遙控器按鍵是開(kāi)關(guān)量，又多是兩節干電池供電，因此ZigBee終端節點(diǎn)的I/O端口可以和空調遙控器上的幾個(gè)按鍵直接相連，這樣既能遠程控制，又可以在本地通過(guò)遙控器控制空調的開(kāi)關(guān)、溫度的調節。而電熱水器和加濕器沒(méi)有配套的遙控，因此在ZigBee終端節點(diǎn)連接5 mm紅外發(fā)射管，采用軟件調制技術(shù)，激勵紅外二極管發(fā)射紅外遙控信號來(lái)實(shí)現對電熱水器和加濕器的遠程控制，原理圖如圖3所示。

電熱水器和加濕器的開(kāi)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 軟件設計與實(shí)現

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)

采用TI公司半開(kāi)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)周期又能增強系統的穩定性。

協(xié)調器節點(diǎn)的程序設計主要包括協(xié)議棧的配置和應用層軟件的開(kāi)發(fā)。圖4是協(xié)調器的程序流程圖。

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(lái)實(shí)現協(xié)調器和終端節點(diǎn)的雙向通信。

由于終端節點(diǎn)有多個(gè)，故而采用順序綁定的方法，即先設置綁定節點(diǎn)1，成功之后設置綁定節點(diǎn)2，依此類(lèi)推直到綁定所有終端節點(diǎn)。在函數void zb_BindConfirm(uint16 commandId，uint8 status)中，標志位count每完成一次協(xié)調器到終端節點(diǎn)的綁定，其值增一，以此記錄該綁定哪個(gè)終端節點(diǎn)。再利用if語(yǔ)句實(shí)現對終端節點(diǎn)的設置綁定事件，進(jìn)而完成綁定工作。

在正常工作狀態(tài)下的協(xié)調器，當有按鍵按下時(shí)，會(huì )進(jìn)入應用層進(jìn)行處理。調用函數zb_SendDataRequest(uint16 destination，uint16 commandId，uint8 len，uint8*pData，uint8 handle，uint8 txOptions，uint8 radius)向終端節點(diǎn)發(fā)送數據，由于不同終端節點(diǎn)的comma ndId不同，因此協(xié)調器只向commandId相匹配的終端節點(diǎn)發(fā)送數據。終端節點(diǎn)根據接收到的數據去做相應處理。

3.2 ZigBee終端節點(diǎn)

終端節點(diǎn)上電后，進(jìn)行初始化，然后去發(fā)現網(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)，終端節點(diǎn)每隔10S采集一次傳感器數據，將數據存儲在數組pData中，然后調用發(fā)送函數zb_SendDataRequest(OxFFFE，SENSOR_REPORT_CMD_ID，12，pData，0，AF_ACK_ REQUEST，0)，將所有數據一次性發(fā)送給協(xié)調器節點(diǎn)。圖5是終端節點(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，通過(guò)搭建BOA服務(wù)器，實(shí)現對瀏覽器頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)請求響應以及數據的發(fā)送等功能。此外，結合CCI技術(shù)編寫(xiě)HTML靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)和CGI程序，移植了嵌入式數據庫SQlite，用以存儲合法用戶(hù)的用戶(hù)名和密碼，實(shí)現對登錄用戶(hù)的客戶(hù)驗證功能;并且還能存儲由串口傳送來(lái)的傳感器數據，通過(guò)CGI程序調用數據庫的最新數據，由BOA服務(wù)器返回給瀏覽器實(shí)現對家庭傳感器數據的實(shí)時(shí)顯示。

ARM9除了BOA服務(wù)器一直在運行，還有串口應用程序也在不斷監聽(tīng)是否有數據需要接收或者發(fā)送。設計所用ARM9開(kāi)發(fā)板有3個(gè)UART，選用串口1，主要寄存器設置如下：

CPHCON=0xa00;

ULCON1=0x03;//數據格式為8位，一停止位，無(wú)校驗位

UCON1=0x05;//時(shí)鐘源為pclk，查詢(xún)方式

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

5 系統測試

本設計以一個(gè)協(xié)調器和5個(gè)終端節點(diǎn)為例進(jìn)行測試，5個(gè)終端節點(diǎn)分別放在5個(gè)房間-客廳、主臥室、次臥室、衛生間、廚房?jì)?，協(xié)調器節點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器放在主臥室。在PC機上打開(kāi)瀏覽器，輸入http：//192.168.1.230，即出現登陸頁(yè)面，輸入用戶(hù)名、密碼認證成功后，即出現主頁(yè)面，如圖6，是本系統默認主頁(yè)面，顯示內容為房間名稱(chēng)、電池電量、溫濕度、是否有人活動(dòng)等情況，默認情況下空調、加濕器都是關(guān)閉的。

如圖7所示，通過(guò)選擇頁(yè)面上空調的開(kāi)啟選項，瀏覽器將命令傳給CGI程序，CGI程序調用應用程序，使ARM9經(jīng)由串口發(fā)送2個(gè)字節控制命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，1個(gè)字節裝載的是房間編號信息，即ZigBee終端節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址，另一個(gè)字節裝載的是控制命令數據。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器將命令下發(fā)給客廳中的ZigBee終端節點(diǎn)，ZigBee終端節點(diǎn)將控制命令數據譯成對P2.1口輸出低電平，相當于空調遙控器開(kāi)關(guān)按鍵按下，空調相應打開(kāi)。再在頁(yè)面上選擇空調調節溫度選項“降溫”，然后點(diǎn)擊“提交”按鈕，經(jīng)由相似過(guò)程，ZigBee終端節點(diǎn)控制P1.2輸出低電平，相當于空調遙控器降溫按鍵按下，客廳溫度降低，在網(wǎng)頁(yè)上點(diǎn)擊3次按鈕“提交”，客廳溫度降至25℃。

通過(guò)實(shí)驗，可以知道本系統能能實(shí)現以下功能：對家庭各個(gè)房間的溫度和濕度實(shí)時(shí)顯示，能遠程調節溫度和濕度，遠程打開(kāi)熱水器開(kāi)關(guān)對其加熱，當房間有人活動(dòng)時(shí)能在監控頁(yè)面顯示出來(lái)，廚房煙霧濃度是否超標也能在頁(yè)面顯示。

6 結束語(yǔ)

文中所述的遠程監控系統應用在家庭環(huán)境中，既能實(shí)現遠程監測家中各個(gè)房間的溫濕度狀況，也能控制家中空調、加濕器的打開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)從而調節溫濕度，營(yíng)造一個(gè)舒適宜人的環(huán)境。煙霧傳感器能實(shí)現煙霧濃度超標檢測，使用人體紅外模塊可實(shí)現家庭安防功能。電池電量檢測能即時(shí)提醒更換電池。若對本設計做微小改動(dòng)，添加房間數量或減少數量，或者改變傳感器類(lèi)別實(shí)現其他功能，可擴展性較強。