基于Zigbee的智能控制系統(tǒng)

摘要：本文研究主要基于硬件平臺：NXP LPC1769（Cortex-M3 微控制器），以Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了智能系統(tǒng)。主要以家居智能系統(tǒng)為例，包括智能門禁系統(tǒng)、自動窗簾、安防系統(tǒng)、可燃氣體泄漏監(jiān)測、居室內(nèi)外溫度檢測.通過短信與用戶交互，可以實時發(fā)現(xiàn)家居隱患以及簡單的安防。此次設(shè)計統(tǒng)秉承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、分布式和自組織的優(yōu)點，其靈活性和可靠性得到了提高，也方便用戶進行無線和遠程監(jiān)測控制。

關(guān)鍵詞：NXP1769Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計背景及環(huán)境

ZigBee是近年來提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信新技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以滿足對小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。

LPC1700系列Cortex-M3 微控制器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。ARM Cortex-M3 是下一代新生內(nèi)核，它可提供系統(tǒng)增強型特性，例如現(xiàn)代化調(diào)試特性和支持更高級別的塊集成。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的操作頻率可達100MHz。ARM Cortex-M3 CPU具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線。ARM Cortex-M3 CPU還包含一個支持隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外設(shè)組件包含高達512KB的Flash存儲器、64KB的數(shù)據(jù)存儲器、以太網(wǎng)MAC、USB主機/從機/OTG接口、8通道的通用 DMA控制器、4個UART、2條CAN通道、2個SSP控制器、SPI接口、3個I2C接口、2-輸入和2-輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電機控制PWM、正交編碼器接口、4個通用定時器、6-輸出的通用PWM、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達70個通用I/O管腳。

1.2 總體設(shè)計框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)絡(luò)主要是由若干執(zhí)行機構(gòu)、若干無線傳感器節(jié)點、無線協(xié)調(diào)機構(gòu)，輔助機構(gòu)，家居控制中心組成。其中，節(jié)點分布于客廳、臥室、廚房等需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信工作。無線執(zhí)行機構(gòu)負責向主控報警，窗簾開合和，模式開啟電鎖開關(guān)，等控制功能。無線協(xié)調(diào)機構(gòu)是節(jié)點和控制中心的信使，轉(zhuǎn)發(fā)兩者之間的通信數(shù)據(jù)。家居無線控制中心處理來自無線協(xié)調(diào)機構(gòu)的信息，并且為互聯(lián)網(wǎng)的連接提供接口進行遠程控制。

此次設(shè)計結(jié)合智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點，如家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短，分布的節(jié)點并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大。基于家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點，以協(xié)調(diào)器（協(xié)調(diào)機構(gòu)）為中心節(jié)點組建一個星形家庭網(wǎng)絡(luò)。

家居系統(tǒng)的控制中心，是整個系統(tǒng)的大腦，它支配整個系統(tǒng)的活動。它可以發(fā)命令給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器通過傳輸轉(zhuǎn)達給終端，協(xié)調(diào)器和終端之間是無線通信。終端獲得信息后控制外設(shè)傳感器等器件，這些外設(shè)就屬于執(zhí)行機構(gòu)，他們時刻等待命令，一旦接受立即執(zhí)行相應(yīng)操作。

協(xié)調(diào)器是控制中心和終端的信使，它實現(xiàn)了控制中心和終端的雙向無線通信。

終端是系統(tǒng)的前線，它起著數(shù)據(jù)供給的作用。它在系統(tǒng)的邊緣，它是數(shù)據(jù)采集終端，算是擁有獨立系統(tǒng)的單元，它有獨立的微控制器（嵌入8051內(nèi)核），所以可對控制中心發(fā)來的命令，經(jīng)過分析之后命令執(zhí)行機構(gòu)作出相應(yīng)操作。終端和協(xié)調(diào)器是無線雙向通信的。協(xié)助機構(gòu)是系統(tǒng)向用戶遠程傳達信息的，比如語音電話手機。

1.3 系統(tǒng)功能

此次設(shè)計的智能無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能包括：智能門禁系統(tǒng)、自動窗簾、可燃氣體泄漏監(jiān)測、居室內(nèi)外溫度檢測和語音電話和短信報警，可以實時發(fā)現(xiàn)隱患。

1.3.1 智能門禁系統(tǒng)

當人走到家居門口時，人體紅外模塊檢測有人，人體攜帶著身份識別標簽（預(yù)先設(shè)置好的ID卡或者鑰匙卡）時，標簽會發(fā)送加密身份信號給門禁Zigbee設(shè)備，門禁系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后決定是否開啟數(shù)字門鎖，用戶再也不用自己掏鑰匙開門了；而為了方便用戶出門不用去扭開數(shù)字門鎖，我們在室內(nèi)接了一個獨立開關(guān)，只要用戶按下開關(guān)，門鎖就開了，方便用戶出門。

1.3.2 自動窗簾

當用戶選擇菜單的開閉窗簾功能時候，窗簾會在打開或者關(guān)閉停到合適的位置。由于用戶的窗戶窗簾的尺寸可調(diào)，所以窗簾開/關(guān)的時間由用戶在菜單上自行設(shè)定。自動窗簾還可以手動操作，由用戶自動調(diào)節(jié)窗簾的位置。

1.3.3 可燃氣體泄漏監(jiān)測

在廚房安裝可燃氣體檢測傳感器節(jié)點，一旦檢測到可燃氣體濃度超標或者發(fā)生火災(zāi)，立即報警和短信遠程報警通知，保證家居內(nèi)人員的人身安全。該節(jié)點還包括了一個溫濕度傳感器，可檢測廚房溫度和濕度。

1.3.4 語音電話及短信報警

在平時，語音電話是充當普通語音電話，可以撥打和接聽電話，里面插上可用的SIM卡既可以了。當發(fā)生火災(zāi)或者可燃氣體泄漏濃度超標的時候，蜂鳴器開啟并且以短信方式發(fā)送給用戶報警。發(fā)送報警短信的電話號碼用戶可以設(shè)置的。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

根據(jù)系統(tǒng)方案勾勒出了系統(tǒng)的物理框架和介紹了主要的通信協(xié)議—Zigbee協(xié)議。這次設(shè)計是在物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分模塊實現(xiàn)各種功能，物理結(jié)構(gòu)之間通過指定的通信協(xié)議進行相互傳達信息。CC2430是符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee產(chǎn)品，為此次系統(tǒng)的無線通信提供了條件。

2.1.1 節(jié)點

節(jié)點是整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣，是以CC2430開發(fā)板為核心，外接各種傳感器，門禁模塊（讀卡器，數(shù)字電控鎖）人體紅外模塊（安防數(shù)據(jù)采集）和控制器件等。節(jié)點所用的傳感器為溫濕度傳感器DHT11和可燃氣體檢測傳感器MQ-2；門禁讀卡器讀取ID卡識別身份；數(shù)字電控鎖是基于門禁讀卡上的，需要識別用戶ID卡信息；人體紅外模塊通過檢測人體釋放紅外線獲得數(shù)據(jù)，為安防提供數(shù)據(jù)；其他控制器件如直流減速電機用在窗簾控制。節(jié)點和協(xié)調(diào)器是通過串口通信的。

2.1.2 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是控制中心和節(jié)點的信使，也是CC2430開發(fā)板，它通過無線接收得到各個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，他們之間的通訊是遵循Zigbee協(xié)議的。協(xié)調(diào)器和控制中心是通過串口通信的。

2.1.3 控制中心

控制中心（NXP LPC1769核心板），主要是綜合和控制信息，是整個系統(tǒng)的大腦?？刂浦行暮蛥f(xié)調(diào)器以及語音電話和短信報警都是通過串口通信。

2.1.4 GSM模塊

語音電話和短信報警是一個GSM模塊。平時，該模塊是充當普通的語音電話；當出現(xiàn)可燃氣體泄露和非法入侵等家居隱患發(fā)生時候，則馬上短信報警通知用戶。

2.2 主要通信協(xié)議—Zigbee協(xié)議

2.2.1 協(xié)議框架

ZigBee標準采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實體都通過服務(wù)接入點(SAP)為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實現(xiàn)所需的功能。ZigBee標準堆棧架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場和實際需要定義的IEEE 802.15.4-2003標準定義了底層：物理層(Physical Layer，PHY)和媒體訪問控制層(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer，NWK)，應(yīng)用層(Application Layer，APL)架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(Application Support Sub-Layer，APS)，應(yīng)用架構(gòu)(ApplicationFramework，AF)。

2.2.2 通信流程

一個基于Zigbee協(xié)議的通信流程簡圖，如下圖：

完成一次通信，大概的流程如下圖，A設(shè)備的應(yīng)用層提出要求，形成應(yīng)用層的要求，然后到網(wǎng)絡(luò)層形成了網(wǎng)絡(luò)層的幀，然后到MAC層加上MAC層的格式然后到物理層，處理一下形成物理幀，然后收發(fā)機就發(fā)了。當B收到了A的內(nèi)容經(jīng)過他的物理層去掉物理層的格式化的內(nèi)容然后再到MAC層進行分析，順次到達B的應(yīng)用層，經(jīng)過了層層剝離最后獲得了A的應(yīng)有層的信息。相同地，B設(shè)備也是以相同的流程給A設(shè)備信息，這樣就實現(xiàn)了A設(shè)備和B設(shè)備的雙向通信。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

控制中心硬件框圖是由硬件平臺NXP LPC1769為核心，向外擴展而成。同通用I/O連接的有：液晶屏128*64，4*4矩陣鍵盤，蜂鳴器報警通知模塊；而通過兩個RS232串口連接了一個實現(xiàn)語音電話及短信報警功能的GSM模塊和協(xié)調(diào)器模塊和一個協(xié)調(diào)器CC2430模塊。為了能實現(xiàn)語音電話功能，給GSM模塊增加了音頻輸入的麥克風(fēng)和實現(xiàn)輸出的揚聲器。外加給整個模塊加上了供電模塊和以太網(wǎng)網(wǎng)口。液晶屏和矩陣鍵盤配合使用為用戶提供信息和功能選擇；協(xié)調(diào)器給核心板傳遞終端節(jié)點采集的信息；蜂鳴器和GSM模塊配合實現(xiàn)報警通知。

和控制中心通過RS232串口連接的協(xié)調(diào)器和其他三個終端節(jié)點沒有硬件上的直接連接，他們是通過無線星形網(wǎng)絡(luò)通信的。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)功能及性能分析

4.1 控制中心NXP LPC1769

實現(xiàn)功能：它是整個系統(tǒng)的大腦，系統(tǒng)上所有的部件都是由它控制。外面的數(shù)據(jù)給主控制芯片發(fā)過來，當主控制芯片在接受到數(shù)據(jù)之后，作出判斷，再發(fā)送后面的命令。

4.2 Zigbee節(jié)點CC2430模塊

實現(xiàn)功能：它是這個系統(tǒng)無線通信的基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸都是在它的基礎(chǔ)上完成的，他承擔著發(fā)送和接收所有的數(shù)據(jù)。

4.3 門禁讀卡器及電控鎖

實現(xiàn)功能：門禁讀卡器是用來識別ID卡號的設(shè)備，當用戶進門時需持卡在讀卡器前進行讀卡，讀卡器讀取信息后，將信息送到控制中心，主機首先判斷該該信息是否合法，如合法則發(fā)出開門指令（即向電控鎖發(fā)送接通信號，使門打開；不合法則不發(fā)送開門指令。電控鎖的功能就是控制門的開關(guān)，家里的安防全靠它，當卡號完全正確時，主控制板將給它一個信號，鎖就會自動打開。當用戶在室內(nèi)時，只需要扭動鎖體上的手動開關(guān)，鎖就也會自動打開。當我們關(guān)上門時，鎖體上的一對磁鐵就會工作促使電鎖將門鎖上。

4.4 溫濕度傳感器DHT11

實現(xiàn)功能：我們使用的溫濕度傳感器是DHT11。它能夠測量出室內(nèi)外的溫濕度，當用戶想要出行時，可以隨時觀看一下戶外的溫濕度，提前做好準備工作。在室內(nèi)時，也可以根據(jù)室內(nèi)溫度，來選擇我們的取暖或降溫方式。

4.5 MQ-2傳感器

實現(xiàn)功能：MQ-2是用來實現(xiàn)檢測廚房液化氣或天然氣的濃度。有時候由于用戶的粗心導(dǎo)致煤氣的泄露，這個時候當這些氣體濃度超過某一個預(yù)設(shè)濃度值之后，MQ-2就會檢測到，從而發(fā)出警報聲而且向用戶發(fā)出短信通知（用戶在戶外），使用戶能夠急時補救。

4.6 人體紅外傳感器

實現(xiàn)功能：該傳感器能夠檢測到人體輻射出的紅外線。當有人接近門時，它就會提醒用戶有客人到訪，用戶就會去給客人開門。這樣就會省去客人按門鈴或是直接敲門。當我們將它裝置在窗戶時，它就另有別用了，他會檢測到那些從窗戶闖進來的不速之客，提醒用戶注意保護生命財產(chǎn)安全。

4.7 直流減速電機

實現(xiàn)功能：電機的功能很簡單，它的真反轉(zhuǎn)來拉動窗簾是打開還是關(guān)閉。

4.8 液晶屏

實現(xiàn)功能：它能夠?qū)⑽覀兯行枰男畔@示出來，能夠顯示出溫濕度。它還顯示了菜單選擇系統(tǒng)，讓我們能夠按照菜單所提示的內(nèi)容來選擇我們所需要的操作步驟。從而使整個系統(tǒng)能夠暢通無阻的運行下去。

4.9 GSM模塊

實現(xiàn)功能：它能夠?qū)崿F(xiàn)打接電話和短信發(fā)送。當我們在戶外時，家里有液化氣泄漏或有人從窗戶闖入，他都會以電話或是短信的方式來通知用戶提早防范。

5 總結(jié)

智能無線系統(tǒng)的主要功能包括通信，設(shè)備自動控制，安全防范等方面。采用的器件前提都是以低成本低功耗，穩(wěn)定性好的特性。智能無線系統(tǒng)的主要功能包括通信，設(shè)備自動控制，安全防范等方面。采用的器件前提都是以低成本低功耗，穩(wěn)定性好的特性。

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基金項目：

西安郵電學(xué)院中青年科研基金資助項目(ZL2009-12)。

作者簡介:

韓剛(1990-)，男，陜西寶雞人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院本科生，主要從事多媒體與系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。