基于Zigbee的智能控制系統

摘要：本文研究主要基于硬件平臺：NXP LPC1769（Cortex-M3 微控制器），以Zigbee無線傳感器網絡技術為基礎，設計了智能系統。主要以家居智能系統為例，包括智能門禁系統、自動窗簾、安防系統、可燃氣體泄漏監測、居室內外溫度檢測.通過短信與用戶交互，可以實時發現家居隱患以及簡單的安防。此次設計統秉承了無線傳感器網絡低功耗、低成本、分布式和自組織的優點，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測控制。

關鍵詞：NXP1769Zigbee無線傳感器網絡智能系統

1 系統設計總體方案

1.1 系統設計背景及環境

ZigBee是近年來提出的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信新技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以滿足對小型廉價設備的無線聯網和控制。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

Zigbee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，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網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個Zigbee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(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用。ARM Cortex-M3 是下一代新生內核，它可提供系統增強型特性，例如現代化調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級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線以及用于外設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的內部預取指單元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外設組件包含高達512KB的Flash存儲器、64KB的數據存儲器、以太網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 總體設計框圖

基于無線傳感器網絡的智能家居網絡主要是由若干執行機構、若干無線傳感器節點、無線協調機構，輔助機構，家居控制中心組成。其中，節點分布于客廳、臥室、廚房等需要監測的區域內，執行數據采集、處理和通信工作。無線執行機構負責向主控報警，窗簾開合和，模式開啟電鎖開關，等控制功能。無線協調機構是節點和控制中心的信使，轉發兩者之間的通信數據。家居無線控制中心處理來自無線協調機構的信息，并且為互聯網的連接提供接口進行遠程控制。

此次設計結合智能家庭網絡系統的特點，如家庭內部無線網絡連接距離較短，分布的節點并不是太多，并且數據的傳輸量也不是太大。基于家庭網絡的這些特點，以協調器（協調機構）為中心節點組建一個星形家庭網絡。

家居系統的控制中心，是整個系統的大腦，它支配整個系統的活動。它可以發命令給協調器，由協調器通過傳輸轉達給終端，協調器和終端之間是無線通信。終端獲得信息后控制外設傳感器等器件，這些外設就屬于執行機構，他們時刻等待命令，一旦接受立即執行相應操作。

協調器是控制中心和終端的信使，它實現了控制中心和終端的雙向無線通信。

終端是系統的前線，它起著數據供給的作用。它在系統的邊緣，它是數據采集終端，算是擁有獨立系統的單元，它有獨立的微控制器（嵌入8051內核），所以可對控制中心發來的命令，經過分析之后命令執行機構作出相應操作。終端和協調器是無線雙向通信的。協助機構是系統向用戶遠程傳達信息的，比如語音電話手機。

1.3 系統功能

此次設計的智能無線網絡系統功能包括：智能門禁系統、自動窗簾、可燃氣體泄漏監測、居室內外溫度檢測和語音電話和短信報警，可以實時發現隱患。

1.3.1 智能門禁系統

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（預先設置好的ID卡或者鑰匙卡）時，標簽會發送加密身份信號給門禁Zigbee設備，門禁系統經過分析判斷后決定是否開啟數字門鎖，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字門鎖，我們在室內接了一個獨立開關，只要用戶按下開關，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閉停到合適的位置。由于用戶的窗戶窗簾的尺寸可調，所以窗簾開/關的時間由用戶在菜單上自行設定。自動窗簾還可以手動操作，由用戶自動調節窗簾的位置。

1.3.3 可燃氣體泄漏監測

在廚房安裝可燃氣體檢測傳感器節點，一旦檢測到可燃氣體濃度超標或者發生火災，立即報警和短信遠程報警通知，保證家居內人員的人身安全。該節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。當發生火災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送給用戶報警。發送報警短信的電話號碼用戶可以設置的。

2 系統設計原理

2.1 系統設計原理

根據系統方案勾勒出了系統的物理框架和介紹了主要的通信協議—Zigbee協議。這次設計是在物理結構的基礎上，分模塊實現各種功能，物理結構之間通過指定的通信協議進行相互傳達信息。CC2430是符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee產品，為此次系統的無線通信提供了條件。

2.1.1 節點

節點是整個系統網絡的邊緣，是以CC2430開發板為核心，外接各種傳感器，門禁模塊（讀卡器，數字電控鎖）人體紅外模塊（安防數據采集）和控制器件等。節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據，為安防提供數據；其他控制器件如直流減速電機用在窗簾控制。節點和協調器是通過串口通信的。

2.1.2 協調器

協調器是控制中心和節點的信使，也是CC2430開發板，它通過無線接收得到各個節點采集到的數據，他們之間的通訊是遵循Zigbee協議的。協調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，是整個系統的大腦。控制中心和協調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；當出現可燃氣體泄露和非法入侵等家居隱患發生時候，則馬上短信報警通知用戶。

2.2 主要通信協議—Zigbee協議

2.2.1 協議框架

ZigBee標準采用分層結構。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點(SAP)為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數量的服務原語來實現所需的功能。ZigBee標準堆棧架構是在OSI七層模型的基礎上根據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聯盟在此基礎上定義了網絡層(Network Layer，NWK)，應用層(Application Layer，APL)架構。其中應用層包括應用支持子層(Application Support Sub-Layer，APS)，應用架構(ApplicationFramework，AF)。

2.2.2 通信流程

一個基于Zigbee協議的通信流程簡圖，如下圖：

完成一次通信，大概的流程如下圖，A設備的應用層提出要求，形成應用層的要求，然后到網絡層形成了網絡層的幀，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，然后收發機就發了。當B收到了A的內容經過他的物理層去掉物理層的格式化的內容然后再到MAC層進行分析，順次到達B的應用層，經過了層層剝離最后獲得了A的應有層的信息。相同地，B設備也是以相同的流程給A設備信息，這樣就實現了A設備和B設備的雙向通信。

3 系統硬件實現

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語音電話及短信報警功能的GSM模塊和協調器模塊和一個協調器CC2430模塊。為了能實現語音電話功能，給GSM模塊增加了音頻輸入的麥克風和實現輸出的揚聲器。外加給整個模塊加上了供電模塊和以太網網口。液晶屏和矩陣鍵盤配合使用為用戶提供信息和功能選擇；協調器給核心板傳遞終端節點采集的信息；蜂鳴器和GSM模塊配合實現報警通知。

和控制中心通過RS232串口連接的協調器和其他三個終端節點沒有硬件上的直接連接，他們是通過無線星形網絡通信的。

4 系統實現功能及性能分析

4.1 控制中心NXP LPC1769

實現功能：它是整個系統的大腦，系統上所有的部件都是由它控制。外面的數據給主控制芯片發過來，當主控制芯片在接受到數據之后，作出判斷，再發送后面的命令。

4.2 Zigbee節點CC2430模塊

實現功能：它是這個系統無線通信的基礎，整個系統的數據傳輸都是在它的基礎上完成的，他承擔著發送和接收所有的數據。

4.3 門禁讀卡器及電控鎖

實現功能：門禁讀卡器是用來識別ID卡號的設備，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，如合法則發出開門指令（即向電控鎖發送接通信號，使門打開；不合法則不發送開門指令。電控鎖的功能就是控制門的開關，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。當用戶在室內時，只需要扭動鎖體上的手動開關，鎖就也會自動打開。當我們關上門時，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

實現功能：我們使用的溫濕度傳感器是DHT11。它能夠測量出室內外的溫濕度，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。在室內時，也可以根據室內溫度，來選擇我們的取暖或降溫方式。

4.5 MQ-2傳感器

實現功能：MQ-2是用來實現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致煤氣的泄露，這個時候當這些氣體濃度超過某一個預設濃度值之后，MQ-2就會檢測到，從而發出警報聲而且向用戶發出短信通知（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安全。

4.7 直流減速電機

實現功能：電機的功能很簡單，它的真反轉來拉動窗簾是打開還是關閉。

4.8 液晶屏

實現功能：它能夠將我們所有需要的信息顯示出來，能夠顯示出溫濕度。它還顯示了菜單選擇系統，讓我們能夠按照菜單所提示的內容來選擇我們所需要的操作步驟。從而使整個系統能夠暢通無阻的運行下去。

4.9 GSM模塊

實現功能：它能夠實現打接電話和短信發送。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

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

參考文獻：

[1]lpcxpresso.lpc1769.schematic[1].2010.

[2]LPC1769/68/67/65/64 Product data sheet.2010.

[3]LPCXpresso User guide.2011.

[4]ES_LPC1769 Errta sheet.2011.

[5]周濤，胡彧.基于無線傳感器網絡的智能家居安防系統[J] .2010.

[6]高明明，孫慶巍，林森.無線智能家居控制系統的設計[J].2009.

[7]朱同.基于ZigBee的智能家居系統設計.[J].2008.

基金項目：

西安郵電學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，西北工業大學電子信息學院本科生，主要從事多媒體與系統設計方面的研究。