基于ZigBee的無線物聯網實訓平臺的設計與實現

蘭忠建

摘 要：2011年，教育部已經明確將物聯網工程專業列入計算機類專業。近年來，國內各中職學校陸續開設了物聯網相關專業，建設物聯網專業實驗室并開發相關教學平臺已提上議程。但由于物聯網專業包括內容較多，且屬于新專業，因此物聯網專業課程體系尚未完全固定，物聯網實訓教學平臺更是缺乏。有些學校雖然花了大量人力物力建設了看似高端的物聯網專業實訓室，但不實用，文中根據當前一些中職院校物聯網建設的實際情況擬開發了一套實用的無線物聯網實訓平臺。

關鍵詞：ZigBee；物聯網；實訓平臺；計算機

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-04

0 引 言

無線傳感網絡最早是美國伯克利加州大學（UC Berkeley）的一項研究計劃。目前主流的無線傳感器網絡技術——ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術[1]，主要優點包括高數據傳輸可靠性、低功率消耗等，所以開發者普遍使用ZigBee技術來開發環境監測、智能家居、工廠控制、智能農業及安防監控等物聯網平臺的傳輸層。

我們擬提出基于ZigBee的物聯網實訓平臺，在該平臺上，學生可以練習Android程序開發，ZigBee無線傳感器網絡開發。希望本研究提出的Android物聯網平臺能夠對物聯網相關課程的體系優化、創新人才培養、實訓建設等方面提供參考。

1 ZigBee 無線網絡

ZigBee是一種低功耗、低成本且擁有靈活自組網功能的無線技術，主要具有低功耗、低成本、數據傳輸可靠度高、支持三種網絡拓撲、支持較多的網絡節點設備等特點。

ZigBee網絡包含一個主控設備和其他附屬設備，單個網絡最多有255個節點，如通過主控設備連接，ZigBee網絡可以支持超過65 000個節點。

2 系統需求分析

本系統是為中職學校物聯網相關專業師生提供的一款用于物聯網實訓課程的無線物聯網實訓平臺，簡單實用。文中針對該物聯網實現課程平臺做了需求分析，主要包括實訓平臺的功能性需求、非功能性需求、一級實驗項目的需求、系統用例分析和系統模塊規劃。

2.1 功能性需求分析

本文擬開發的無線物聯網實訓平臺的功能性需求如下：

（1）以德州儀器（TI）公司生產的CC2530芯片為基礎，自主研發ZigBee模塊，包括設計硬件電路圖、設計ZigBee模塊的天線、設計ZigBee軟件程序。

（2）采用Eclipse設計Android APP程序，實現傳感器數據的顯示，使得手機用戶可以通過APP控制電燈和電風扇的開關，并保留相關文檔。

（3）利用自主設計的ZigBee模塊、藍牙模塊、Android智能手機、相關傳感器以及自行開發的Android APP和ZigBee程序完成無線物聯網平臺的組網搭建，實現通過溫濕度傳感器監測環境溫濕度，通過煙霧傳感器監測是否有煙霧，通過開關節點完成電燈控制，通過開關節點完成電風扇控制，通過人體紅外傳感器監測是否有人等功能。

（4）整理相關設計文檔、圖紙和源代碼等，以便后續提取課程實驗項目。所有電路原理圖、源代碼均保留詳細文檔說明，學生可以在此基礎上新增、修改、刪除系統功能，從而達到物聯網課程實訓目標，并可形成一套完整的實訓指導書，學生可根據實訓指導書完成相應的實訓內容。

2.2 非功能性需求分析

通過該無線物聯網平臺培養學生具有如下能力：

（1）了解物聯網網絡技術基礎知識，這是最基本也是最主要的；

（2）熟悉并了解物聯網網絡軟硬件架構（組網方式、網元功能等），基本的網絡軟硬件架構通過此平臺可以很好地掌握；

（3）熟悉并掌握物聯網教學平臺的組網搭建，這個需求對中職生而言是一個難點，但在此平臺中可以充分實現；

（4）通過此平臺學生基本可對ZigBee網絡和Android的基礎知識有充分的認識和掌握；

（5）熟悉并掌握物聯網ZigBee傳感模塊的開發流程，雖然這個要求比較高，但仍能體現于基本的開發流程中；

（6）熟悉并掌握物聯網客戶端Android APP的開發流程，這是一個難點，但基礎較好的學生有該需求。

3 系統設計

3.1 系統設計方法

本系統擬提出一款基于Android的物聯網實驗平臺，在該平臺上，學生可以練習Android程序開發、ZigBee無線傳感器網絡開發。

系統設計主要分為硬件設計和Android軟件設計兩部分，具體如下所述：

硬件設計包括藍牙和ZigBee兩個硬件功能模塊。藍牙功能模塊負責與智能手機通信，ZigBee功能模塊負責與風扇、溫濕度傳感器等設備通信。其中，藍牙功能模塊擬采用“網蜂”藍牙4.0模塊，ZigBee功能模塊擬自行設計。

在軟件方面，主要采用Eclipse集成開發環境結合Java語言進行Android程序的開發，程序分為可燃煙霧檢測功能模塊、燈光控制功能模塊、風扇控制功能模塊、人體紅外監測功能模塊、溫濕度監測功能模塊。

3.2 系統架構設計

本系統架構可以概括為通過Android系統結合ZigBee無線網絡來設計并實現無線物聯網平臺。我們將平臺分為三層，分別為ZigBee網絡層、實體與應用連接層和用戶應用接口層。

ZigBee網絡層主要是本系統設計的ZigBee無線傳感網絡，配備了諸多系統所需要的傳感器，能夠方便學生學習各種不同傳感器的數據采集方式和通信模式。系統架構示意圖如圖1所示。

ZigBee實體網絡層主要包括ZigBee傳感與控制節點，本系統中ZigBee節點包括電燈開關節點、溫濕度終端節點、煙霧節點、人體紅外線終端節點和安全監測開關節點。ZigBee 實體網絡架構如圖2所示。

4 系統實現

4.1 系統概述

如前所述，本文擬開發一套用于中職學校物聯網工程專業師生實訓的無線物聯網教學平臺，系統以目前流行的Android智能手機作為主控平臺，結合ZigBee技術設計了相關軟硬件，最終實現了通過ZigBee模塊采集溫濕度、煙霧、人體入侵等環境數據，并通過藍牙轉接板連接Android手機，待用戶查看相關環境數據后還可控制電燈、電扇等電器的功能。

本系統中的節點包括藍牙節點、溫濕度ZigBee終端節點、煙霧ZigBee終端節點、電燈開關ZigBee節點、紅外線ZigBee終端節點和插座開關ZigBee節點。系統示意圖如圖3所示。

4.2 系統軟件界面

自行開發Android手機APP，其UI界面如圖4所示。

手機界面大致分為標題文字、電燈控制、傳感顯示和系統測試四部分：

（1）標題文字：可以標示目前使用的是哪一種系統。在本系統中，顯示“無線物聯網教學平臺”。

（2）電器控制：電燈控制界面包括1張電燈圖片、1張風扇圖片及4個按鈕，目前在界面中可以控制兩種電器，若按下電燈的打開按鈕，則遠處的電燈會自動打開并回傳信號，手機根據信號的內容變更電燈控制中電燈的圖片。同理，可以遠程控制電風扇的開關。

（3）傳感顯示：傳感顯示包括4個傳感組件的顯示值，分別為溫度、濕度、煙霧和人體紅外，遠處的終端節點會每隔 5 s發送一組傳感信號，界面中以數值和條狀圖顯示當前的溫濕度、煙霧報警、人體紅外報警等信息。

（4）系統測試：系統測試界面包括文字輸入、傳輸按鈕和文字顯示界面，用戶可以在文字輸入中輸入特定的指令后按下傳輸按鈕，無線物聯網平臺會根據輸入的指令，將相應的內容傳輸到Android手機，手機便將內容顯示在文字顯示界面中。這里主要提供給開發者用以測試。

4.3 系統硬件實物

溫濕度終端節點采用瑞士SENSIRION公司開發的DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包含一個電容式測濕組件和一個能隙式測溫組件，并與一個14位A/D轉換器及串行接口電路集成在同一芯片上，通過DHT11可回傳環境溫濕度信息至智能手機。本研究所使用的DHT11溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、煙霧節點、風扇節點如圖5所示。

5 系統測試

5.1 系統單元測試

測試方法主要包括電源電壓單元測試、時鐘頻率單元測試、開機復位單元測試、溫濕度實驗壓力測試、LED燈實驗壓力測試以及系統功能測試。我們分別進行了電源電壓單元測試，時鐘頻率單元測試，開機復位單元測試。通過測試結果可知，各模塊的相應數值都在標準范圍內，系統穩定 。

5.2 系統壓力測試

在進行壓力測試時，動員全專業150名學生分成30組，每組輪流對隨機選出的1套設備進行壓力測試，重復5次，在一天之內完成2個實驗。該設備共計承受300次壓力測試，記錄出現故障的次數。壓力測試結果表明，系統運行穩定，可大量投入使用。

5.3 系統功能測試

本文將開關節點與普通電燈結合，當用戶拿出Android智能手機開啟APP應用程序并按下men鍵，選擇Connect a device-Securec后會出現可供連接的所有藍牙設備。選取藍牙收發器設備，連接成功后就可以利用Bluetooth來連接ZigBee系統。測試所用硬件如圖6所示。

開關節點與日常電燈結合 藍牙節點設備 應用程序中選取

藍牙收發器設備

目前手機已與藍牙節點連接，用戶可按下APP中的電燈按鈕來控制電燈開關節點設備。實際手機控制電燈開關節點示意圖如圖7所示。手機與藍牙節點上的藍牙收發器通信并傳輸信號，藍牙收發器再通過有線串口傳輸數據給ZBee模塊，ZBee模塊通過ZigBee無線信號將ZigBee數據傳輸給開關節點，開關節點會依據此數據中攜帶的命令碼執行相關操作，例如打開電燈、關閉電扇等。當執行結束后，開關節點會反饋執行結果給ZBee。

無線物聯網平臺中的傳感部分如圖8所示，溫濕度ZBee終端和煙霧ZBee終端會每隔5 s傳輸一組溫濕度或煙霧濃度數據到ZigBee路由器，ZigBee路由器會將信息傳輸至藍牙節點，藍牙節點上的ZBee模塊利用UART串行端口將傳感信號內容傳輸至藍牙收發器，藍牙收發器通過無線藍牙信號把數據發送給Android智能手機，手機將接收到的信息顯示在屏幕上，用戶可以遠程實時查看當前溫濕度和煙霧濃度數據。

5.4 實訓項目效果評價

當前由于很多中職院校的物聯網專業老師非科班出身，因此對于這門課程的教學方法都很迷茫，都在通過不斷的學習和探索進行教學工作。而本無線物聯網實訓平臺的出現可有效改進目前中職院校物聯網課程的教學模式。

學生實現分組學習。本文實現的無線物聯網實訓平臺具有完善的功能，使用時，老師可根據情況將學生分成若干小組，學生可以將此系統做為基礎的物聯網學習平臺，無需考慮硬件的組成情況而直接進行工程開發。由于本平臺設置了一些基礎的編碼程序，源代碼開放，學生可以通過更改程序完成一些實驗項目。

學生自由探究學習。此無線物聯網實訓平臺組建靈活，學生可以很容易地搭建適合自己的學習平臺。教師在使用此平臺時也可編寫包含相關感知層、傳輸層、應用層典型案例實驗（如基礎的網絡搭建實驗，學習ZigBee的網絡組網基礎知識等）的實訓指導書。

6 結 語

隨著信息技術的快速發展，繼移動互聯網之后，物聯網已成為未來互聯網的主流趨勢，被公認為信息產業的Next Big Thing，2011年教育部明確將物聯網工程專業列入計算機類專業。近年來，國內各中職學校陸續開設了物聯網相關專業，建設物聯網專業實驗室并開發相關教學平臺已提上議程。但由于物聯網專業包括的內容較多，且屬于新專業，因此物聯網專業課程體系尚未完全固定，物聯網實訓教學平臺更是缺乏。有些學校雖然花了大量人力物力建設了看似高端的物聯網專業實訓室，但并不實用。

本研究旨在為中職院校相關專業的教學研究提供一套完整的實驗平臺解決方案，系統搭載的各模塊可為物聯網相關專業的教學提供豐富的實驗內容。借助該平臺，學生可以練習Android程序開發、ZigBee無線傳感器網絡開發、PCB電路板的繪制和實踐等。平臺雖然簡單，但很實用，對于中職院校的學生而言，這些平臺已完全能夠達到相關課程的教學效果。

在設計和實現過程中，我們使用開源、免費的Android集成開發環境作為本系統手機APP的開發平臺，并基于CC2530芯片自主設計了ZigBee無線傳輸模塊的硬件電路和軟件程序，有效減少了物聯網教學系統的開發成本。

測試運行結果表明，本系統功能豐富，運行穩定，采用了當前較為熱門的Android和ZigBee技術，較好地滿足了中職學校物聯網相關專業等對無線物聯網教學平臺的需求。根據我校物聯網專業學生的使用反饋情況來看，該系統已完全能夠滿足相應的教學任務要求。通過使用本系統提供的無線物聯網教學平臺，相信中職學校物聯網相關專業的同學可以更好地鍛煉物聯網系統開發技能，實踐相關理論知識，更好地適應高職院校升學和就業市場的需求。

本研究主要將研究范圍集中于中職學校物聯網實訓課程的Android無線物聯網平臺的設計和開發，側重于工程技術的實現，對物聯網實訓課程教學大綱的設計、實驗項目的提取等內容未做深入探討。未來可以根據本文提出的物聯網平臺的硬件實物、軟件代碼和軟硬件設計文檔進行分割、提取和設計，分模塊或項目進行設計開發，從而開發出一套完整的實訓教學系統，幫助物聯網相關專業師生更加方便地進行教學和實踐，并在其他中職學校中推廣使用。

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