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

　　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。采用溫濕度傳感器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)對溫度和濕度的調(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(gè)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(gè)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(lì)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(chǔ)芯片。

　　ZigBee模塊主芯片采用，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(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(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?；诖耍x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(gè)房間只需一個(gè)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。空調(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(gè)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(lì)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。