基于嵌入式和ZigBee 技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯艷波，秦會(huì)斌 ，胡建人，周迎新

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018)

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，無(wú)線通信和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。ZigBee 作為一種短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因?yàn)槠溆兄统杀?，低功耗，高容量，高安全，體積小，自組網(wǎng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正越來(lái)越受工程師們的青睞［4］。ZigBee 主要應(yīng)用在家庭和樓宇的自動(dòng)控制，商業(yè)中的智慧標(biāo)簽，智能交通以及無(wú)線抄表領(lǐng)域。本文將ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于家庭控溫節(jié)能系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)安裝免于布線，擴(kuò)展及維護(hù)更加方便。

采用高性能的ARM 處理器作為系統(tǒng)控制核心，移植操作系統(tǒng)后可以提供給用戶良好的交互界面，另一方面系統(tǒng)的功能升級(jí)變的更加容易。

1 控溫節(jié)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

家庭控溫節(jié)能系統(tǒng)主要由控制核心、ZigBee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、終端執(zhí)行單元3 部分組成。家庭控溫節(jié)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

控制核心的ARM 處理單元通過(guò)RS232 接口與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，與各個(gè)終端執(zhí)行單元通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通信。執(zhí)行單元的MCU(Atmega16 單片機(jī))通過(guò)RS232 接口和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)連在一起接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自控制核心的命令或者上傳傳感器采集的數(shù)據(jù)到控制核心。如果遇到通信距離很大或者障礙物較多阻礙信號(hào)的問(wèn)題，可采取加入ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)中繼的方法解決。

圖1 控溫節(jié)能系統(tǒng)框圖

在執(zhí)行單元可以加入若干受控對(duì)象。本系統(tǒng)利用執(zhí)行單元1 完成對(duì)窗子開(kāi)或關(guān)的控制，利用執(zhí)行單元2 完成對(duì)窗簾開(kāi)合的控制，利用執(zhí)行單元3 完成對(duì)空調(diào)的控制。各個(gè)執(zhí)行單元模塊添加了光強(qiáng)傳感器(TSL2561)及溫度傳感器(DS18B20)，傳感器采集數(shù)據(jù)后通過(guò)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)傳送給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯集各個(gè)執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)傳送給控制核心?？刂浦行氖盏綌?shù)據(jù)處理完畢后，完成控制指令的自動(dòng)發(fā)送，也可以人為地發(fā)送控制命令給各執(zhí)行單元。例如:夏天的中午光照很強(qiáng)烈，晴朗的天氣里室內(nèi)光照強(qiáng)度可達(dá)500 lx ～5 000 lx，陽(yáng)光照進(jìn)屋內(nèi)會(huì)使室溫迅速升高。當(dāng)控制核心檢測(cè)到室內(nèi)光照超過(guò)1 000 lx，溫度超過(guò)28 ℃時(shí)就會(huì)向執(zhí)行單元發(fā)送關(guān)窗，拉窗簾遮光的命令。這樣就能夠減少空調(diào)的使用，達(dá)到節(jié)約電能的目的。如果溫度繼續(xù)上升，當(dāng)控制核心檢測(cè)到室溫超過(guò)32 ℃時(shí)會(huì)發(fā)送打開(kāi)空調(diào)的命令，并將溫度設(shè)定為28 ℃的環(huán)保溫度值，提供一個(gè)適宜的溫度環(huán)境。

使用ZigBee 和ARM 技術(shù)為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了極大的便利。例如，當(dāng)原有系統(tǒng)中需要新加入燈光節(jié)能控制的功能時(shí)，只需要增加一個(gè)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)連接到燈光控制的執(zhí)行單元電路上，然后控制核心ARM 處理器的操作系統(tǒng)中加入相應(yīng)的軟件即可完成功能擴(kuò)展。在此過(guò)程中無(wú)須進(jìn)行過(guò)多布線，也無(wú)須改變?cè)邢到y(tǒng)的功能模塊。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)工作主要由控制核心電路設(shè)計(jì)，ZigBee 模塊電路設(shè)計(jì)以及執(zhí)行單元電路設(shè)計(jì)等3 部分構(gòu)成。這里簡(jiǎn)要介紹前2 部分。

2.1 控制核心的接口電路

圖2 為控制核心的接口電路。S3C2440 內(nèi)部集成了LCD 控制器，可將觸摸屏引腳對(duì)應(yīng)連接。TXD與RXD 為串口的TTL 發(fā)送與接收端，與MAX3232對(duì)應(yīng)引腳相連。為了能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，ARM處理器外接了DM9000 網(wǎng)卡接入因特網(wǎng)。

圖2 控制核心接口電路

2.2 串口通信電路

圖3 是串口TTL 電平轉(zhuǎn)232 電平的轉(zhuǎn)換電路?？刂坪诵牡腁RM 處理器及ZigBee 模塊的CC2530和執(zhí)行單元的Atmega16 的串口引腳都是TTL 電平，為了能與PC 機(jī)進(jìn)行串口通信方便調(diào)試程序，用MAX3232 芯片將TTL 電平轉(zhuǎn)換為232 電平。

圖3 MAX3232 串口通信電路

2.3 ZigBee 無(wú)線通信模塊電路

圖4為ZigBee 無(wú)線通信模塊電路。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以使用同一個(gè)電路，在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器功能、路由功能及終端功能是由軟件來(lái)區(qū)分的［5－6］。

圖4 ZigBee 無(wú)線通信模塊電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制核心的軟件設(shè)計(jì)

控制核心的處理器外接一塊256 M Nandflash 芯片和一塊RAM 芯片。首先移植U－Boot 到Nandflash中作為控制核心的Bootloader。操作系統(tǒng)選擇免費(fèi)開(kāi)源的Linux。虛擬機(jī)終端下進(jìn)入內(nèi)核目錄，運(yùn)行#make menuconfig 后定制Linux－2.6.32 內(nèi)核，配置完成后交叉編譯Linux 內(nèi)核。注意配置的時(shí)候U－Boot 的MACH_TYPE 參數(shù)要和Linux 內(nèi)核的MACH_TYPE一致，否則不能成功引導(dǎo)內(nèi)核。然后移植串口、網(wǎng)卡、Nandflash 等內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，使控制中心的軟件平臺(tái)與硬件平臺(tái)能夠正常工作。最后用Mkyaffs2image 文件系統(tǒng)制作工具制作文件系統(tǒng)映像，并用QT 開(kāi)發(fā)自己的GUI(圖形用戶界面)。

調(diào)試好控制核心以后，在和協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口通信的時(shí)候，需要將串口的控制臺(tái)功能取消。進(jìn)入內(nèi)核目錄下，用VIM 編輯器打開(kāi).Config 文件，然后找到CONFIG_CMDLINE 命令參數(shù)行，將CONFIG_CMDLINE =“initrd = 0x32000000，0x200000 root =/dev/ram rw console = ttysAC0 mem = 64M" 改為CONFIG_CMDLINE=“initrd=0x32000000，0x200000

root=/dev/ram rw console=NULL mem=64M"

3.2 ZigBee 無(wú)線通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

TI 公司的免費(fèi)協(xié)議棧Z－stack 2007 可以運(yùn)行在CC2530 上面。開(kāi)發(fā)者只需根據(jù)實(shí)際需要再應(yīng)用層添加自己的任務(wù)，然后修改相應(yīng)的硬件層端口即可［7］。具體工作如下:

(1)在MT 層中，修改MT_UART.h 中串口的默認(rèn)設(shè)置，取消流控，并把波特率由38400 改為115200。

#define MT_UART_DEFAULT_OVERFLOW TURE

改為:

#define MT_UART_DEFAULT_OVERFLOW FALSE

將

#define MT_UART_DEFAULT_BAUDRATE HAL_UART_BR_38400

改為:

#define MT_UART_DEFAULT_BAUDRATE HAL_UART_BR_115200

(2)在MT_UART.c 文件中，修改串口回調(diào)函數(shù)。

將uartConfig. callBackFunc = MT _ UartProcessZTool Data;改為uartConfig. callBackFunc=rxCB;rxCB 負(fù)責(zé)把串口接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)databuf 中。rxCB 函數(shù)關(guān)鍵代碼如下:

rxlen=Hal_UART_RxBufLen(MT_UART_DEFAULT_PORT);//接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，字節(jié)為單位

databuf=osal_mem_alloc(rxlen);//分配空間

HalUARTRead (MT _ UART _ DEFAULT _ PORT，databuf，rxlen);//讀取串口數(shù)據(jù)存入databuf 中

下面一段代碼用來(lái)判斷ZigBee 模塊從串口收到的是命令還是數(shù)據(jù):

//協(xié)議規(guī)定幀頭以/D 開(kāi)始代表數(shù)據(jù)

if((databuf［0］==47)＆＆(databuf［1］==68))

//設(shè)置串口收到消息事件標(biāo)志，請(qǐng)求APP 層處理 osal_set_

event(SampleApp_TaskID，UART_RX_DAT_CB_EVT);

//限定只能協(xié)調(diào)器向ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)命令

#ifdef ZDO_COORDINATOR

//協(xié)議規(guī)定幀頭以/C 開(kāi)始命令

else if((databuf［0］= =47)＆＆(databuf［1］= =67)) osal_

set_event(SampleApp_TaskID，UART_RX_CMD_CB_EVT);

#endif

else

osal_mem_free(databuf); //釋放內(nèi)存

(3)在應(yīng)用層加入用戶任務(wù)的事件標(biāo)志及完成相應(yīng)的處理函數(shù)。在SampleApp. h 中新增簇ID 及事件標(biāo)志:

#define SAMPLEAPP_SPIDATA_CLUSTERID 1//簇ID

#define SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID 2

#define SAMPLEAPP_ADDR_CLUSTERID 3

#define SAMPLEAPP_COMMAND_CLUSTERID 4

#define UART_RX_DAT_CB_EVT 0x0002

#define UART_RX_CMD_CB_EVT 0x0004

#define SAMPLEAPP_SEND_NWKADDR_EVT 0x0008

#define SAMPLEAPP_COMMAND_PERIODIC_MSG_EVT

0x0010//新增的事件標(biāo)志

(4)簇ID 列表SampleApp_ClusterList 中也相應(yīng)增加上面定義的簇ID，然后在消息處理函數(shù)中增加如下代碼:

if(events ＆ UART_RX_DAT_CB_EVT)//串口接收數(shù)據(jù)

{

SampleApp_SPI_SendData(databuf，rxlen);

return(events ^ UART_RX_DAT_CB_EVT);

}

if(events ＆ UART_RX_CMD_CB_EVT)//串口接收命令

{

SampleApp_SPI_SendCommand(databuf，rxlen);

return(events ^ UART_RX_CMD_CB_EVT);

}

當(dāng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器接收到控制核心傳來(lái)的內(nèi)容后，判別出是命令還是數(shù)據(jù)，并設(shè)置不同的事件標(biāo)志后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)事件標(biāo)志來(lái)做不同的處理。同時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)的串口如果接收到傳感器數(shù)據(jù)，可以回傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口傳遞給控制核心處理。

3.3 終端執(zhí)行單元的軟件設(shè)計(jì)

終端執(zhí)行單元的MCU 采用性價(jià)比較高的Atmega16 單片機(jī)，運(yùn)行在此單片機(jī)上的軟件用C 語(yǔ)言編寫。軟件主要完成以下功能:

(1)檢測(cè)串口是否收到來(lái)自控制核心的數(shù)據(jù)或命令;

(2)收到命令則向執(zhí)行單元發(fā)送執(zhí)行請(qǐng)求;

(3)收到數(shù)據(jù)則設(shè)定設(shè)備的參數(shù);

(4)設(shè)置硬件看門狗定時(shí)器，增加系統(tǒng)可靠性。

圖5 終端執(zhí)行單元軟件流程圖

執(zhí)行單元的傳感器數(shù)據(jù)不采用周期性上傳的方式，而是接受到控制核心的請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令后才上傳。采用后者所說(shuō)的方式可以進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗［8］。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 為無(wú)線ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，路由器和終端。圖7 為傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee 模塊串口發(fā)送到PC 上位機(jī)軟件。圖8 為控制中心觸摸屏顯示的傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。

圖6 協(xié)調(diào)器、路由、終端模塊實(shí)物

圖7 協(xié)調(diào)器、路由、終端的網(wǎng)絡(luò)組建

圖8 控制中心觸屏顯示監(jiān)控信息

5 總結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要應(yīng)用了嵌入式技術(shù)以及ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在如何使系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，容易擴(kuò)展上。軟件擴(kuò)展升級(jí)可以在控制核心的操作系統(tǒng)上進(jìn)行，硬件擴(kuò)展升級(jí)可以增加新的終端節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠搭建起來(lái)，控制中心能夠接收和處理傳感器信息。

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