基于ZigBee和4G技術(shù)的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁 琳，李蒙蒙

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基于ZigBee和4G技術(shù)的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁 琳，李蒙蒙

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子與信息工程學(xué)院，江蘇 淮安 223002）

介紹了基于ZigBee和4G技術(shù)相結(jié)合的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)以CC2530為微處理器，以ZigBee的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)和4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信方式，實(shí)現(xiàn)了門(mén)窗控制的智能化。

ZigBee；4G；智能門(mén)窗；監(jiān)控

0 引言

近幾年，隨著電子信息技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，加速了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活環(huán)境的智能化即智能居家系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，而實(shí)現(xiàn)門(mén)窗智能化是智能家居系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1-3]。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和Android的智能門(mén)窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在居家場(chǎng)所，也可用在辦公室和學(xué)校等場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)門(mén)窗的智能控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖可知，智能門(mén)窗控制系統(tǒng)由感知部分（主要是溫濕度傳感模塊、風(fēng)速傳感模塊和人體紅外傳感模塊等）、控制部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分組成。感知部分主要采集的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風(fēng)速等外界環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)這些傳感器收集室外的各類(lèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的智慧化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；控制部分主要為窗簾、窗戶(hù)等需要提供決策指令的設(shè)備，通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)，把從上位機(jī)上接收到的控制命令通過(guò)終端設(shè)備輸出高低電平，進(jìn)而來(lái)控制它們的開(kāi)和關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸部分是感知部分、控制部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分的設(shè)備接入以及數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)的紐帶，感知部分采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸方式上傳給處理器，處理器通過(guò)4G無(wú)限傳輸給服務(wù)器；當(dāng)有需求時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控部分（即智能手機(jī)端）把控制命令通過(guò)4G下發(fā)給處理器，處理器再通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸把控制命令發(fā)給需要控制的窗簾、窗戶(hù)等設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 室外溫濕度傳感器

本系統(tǒng)中檢測(cè)室外溫度和是否是雨雪天氣均采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它的主要組成部分是NTC測(cè)溫元件和電阻式感濕元件[4]，和本系統(tǒng)所用的8位CC2530開(kāi)發(fā)板相匹配，能測(cè)量溫度和是否是雨雪天氣。該傳感器讀取數(shù)據(jù)便捷，功耗低，尺寸小，抗干擾能力強(qiáng)且價(jià)格較為低廉。如圖2所示為DHT11溫濕度傳感器與CC2530的連接圖，DHT11的第一引腳接3-5.5V的直流電源，在本文中 使用的是+5V的電源，第二引腳接CC2530的I/0口，第三引腳懸空，第四引腳接地。

圖2 DHT11傳感器與CC2530的連接電路圖

2.2 風(fēng)速傳感器

本系統(tǒng)中風(fēng)速的測(cè)量采用的是M288865風(fēng)速傳感器，該傳感器采用碳纖維材料，具有強(qiáng)度高，啟動(dòng)好等特點(diǎn)。M288865風(fēng)速傳感器具備以下特點(diǎn)[5]：（1）檢測(cè)頭對(duì)環(huán)境風(fēng)速最敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境的風(fēng)速，觸發(fā)CC2530或繼電器模塊等；（2）檢測(cè)頭在環(huán)境風(fēng)速達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，2號(hào)數(shù)據(jù)端輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境風(fēng)速超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，2號(hào)數(shù)據(jù)端輸出低電平；（3）2號(hào)數(shù)據(jù)輸出端可以與CC2530的I/O端口直接相連，通過(guò)CC2530來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境的風(fēng)速改變，M288865傳感器工作原理圖如圖3所示。

圖3 M288865傳感器工作原理圖

2.3 人體紅外傳感器

HC-SR501紅外傳感器是通過(guò)紅外技術(shù)自動(dòng)感應(yīng)，探頭采用LHI778，擁有高靈敏度，可以在低壓下工作[6-7]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用紅外感應(yīng)來(lái)是否有人非法進(jìn)入。HC-SR501紅外傳感器的實(shí)物如圖4所示。HC-SR501紅外傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸至基于ZigBee的CC2530處理器，CC2530處理器把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O口輸出，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。采集完數(shù)據(jù)之后，CC2530處理器通過(guò)RF發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

圖4 人體紅外傳感器（HC-SR501）實(shí)物圖

3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分和4G數(shù)據(jù)傳輸部分這兩個(gè)部分組成[8-9]。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分主要負(fù)責(zé)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的室外環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至處理器模塊，處理器模塊對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。?G數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)把處理器模塊提取的室外的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，為用戶(hù)提供決策。除此之外，對(duì)于從遠(yuǎn)程監(jiān)控部分（即智能手機(jī)端）下發(fā)的控制命令，也需要通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)去傳輸，進(jìn)而對(duì)窗簾、窗戶(hù)等設(shè)備進(jìn)行操作。

3.1 ZigBee傳輸部分設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分的核心模塊使用的是CC2530芯片。CC2530芯片它所用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4，并結(jié)合了先進(jìn)的RF收發(fā)器。在本系統(tǒng)中ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分用的的CC2530的引腳主要有17號(hào)引腳、18號(hào)引腳、34號(hào)引腳和35號(hào)引腳，它們主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，主要用到的引腳功能如表1所示。不管是協(xié)調(diào)器把室外的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給處理器，還是協(xié)調(diào)器通過(guò)串口接收命令，開(kāi)始都需要對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)起始位、數(shù)據(jù)位、停止位、傳輸速率及波特率進(jìn)行初始化。本系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議主要分為命令頭、地址以及數(shù)據(jù)，格式如表2所示。本系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議中的校驗(yàn)采用的是簡(jiǎn)單的去幀頭幀尾之和。

表1 CC2530芯片用到的引腳功能介紹

Tab.1 Introduction to CC2530

表2 ZigBee通信協(xié)議命令格式

Tab.2 ZigBee communication protocol command format

3.2 4G傳輸部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，服務(wù)器和智能手機(jī)終端接收處理器通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳上來(lái)的數(shù)據(jù)[10-11]。4G網(wǎng)絡(luò)使用的是中興的ME3760通信模塊。它不僅支持LTE TDD的2.6 GHz、2.3 GHz和1.9 GHz三個(gè)頻段，還支持LTE FDD的2.6 GHz的頻段，并同時(shí)兼容TD-SCDMA的2.1 GHz和1.9 GHz頻段以及GSM的900 MHz和1800MHz二個(gè)頻段。本設(shè)計(jì)通過(guò)處理器的UARTO(RXDO)、UARTO( TXDO)分別與EM3760 TXD1、RXD1相連，處理器通過(guò)串口AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)EM3760數(shù)據(jù)通信。處理器分別與ZigBee、4G部分的連接圖如圖5所示。

圖5 CC2530、ME3760與處理器的連接圖

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用Zigbe技術(shù)和4G技術(shù)的相結(jié)合，是數(shù)據(jù)短距離和長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐昝兰蟍12]，既節(jié)約了成本，又實(shí)現(xiàn)的門(mén)窗智能控制的實(shí)時(shí)性、可移動(dòng)性（通過(guò)智能手機(jī)終端控制）。這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的相結(jié)，將越來(lái)越多的應(yīng)用到人們的生活和工作中。

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Design of Intelligent Door and Window Control System Based on ZigBee and 4G Technology

DING Lin, LI Meng-meng

(Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering, JiangSu Vocational College of Finance and Economics, Huai’an 223002, China)

This paper introduces the design of software and hardware scheme of intelligent door and window control system which based on ZigBee and 4G technology, changing the way of traditional monitoring. It uses the CC2530 as microprocessor. The wireless networks commun-ication of ZigBee and the 4G wireless network technology are the means of communication, which makes door and window intelligent.

ZigBee; 4G; Intelligent door and window

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.009

江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院?？蒲许?xiàng)目“基于ZigBee的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”、江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目“基于ZigBee和Android的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)APP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)”

丁琳(1980-)，女，碩士，講師，主要從事傳感器和電氣控制方面的研究；李蒙蒙，女(1998-)，大專(zhuān)，學(xué)生，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

丁琳，李蒙蒙. 基于ZigBee和4G技術(shù)的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2018，39（11）：36-38