基于ZigBee的沙盤節點電源控制網絡的設計

汪燕

摘 要：大型展示用沙盤通常配置多個照明與電機電源控制點，傳統的有線控制方式不夠靈活，難以實現復雜的控制效果。本文設計了一種基于ZigBee協議的無線網絡節點控制系統，可實現沙盤電源的節點單獨控制與成組控制，節點可動態增減，有效地克服了傳統控制方式的缺點。節點設計基于CC2530片上系統，ZigBee協議棧采用TI公司的ZStack。設計了控制協議，利用上位機軟件可做出復雜的控制效果和獲取節點的工作狀態。

關鍵詞： ZigBee;沙盤;節點控制;網絡設計

【Abstract】 The large scale model for displays usually need to be equipped with multiple power control points for the purpose of lighting and motors， but the traditional wired control method is not flexible enough to achieve complex control effects. In this paper， a wireless network node control system based on ZigBee protocol is designed， which can realize the node separate control and group control of the scale model power supply with the benefit of increase or decrease in the number of nodes dynamically， which also can effectively overcome the shortcomings of the traditional control method. The ZigBee node design is based on SoC chip of CC2530， and the ZigBee protocol stack depends on the ZStack of TI Company. The specific control protocol is designed in the system， and the host computer software is used for some complex control effect ， which could obtain the working state of the node.

【Key words】 ?ZigBee; scale model; node control; network design

0 引 言

沙盤廣泛用于展示、教學、展覽等場合，沙盤一般都配有大量燈光和工作電機，用于增強展示效果。現有沙盤的燈光等電源節點和電源控制多是采用機械開關或有線方式控制，能夠變換出一些簡單的控制效果，但導線用量大，控制不靈活，展示效果一般，用戶體驗差[1-4]。基于ZigBee技術，本文設計了一種沙盤節點組網控制系統，實現多節點控制，節點可動態組網和動態增減;利用系統的命令接口，上位機軟件可靈活控制每個節點的開關，實現沙盤的花式控制，適合各種沙盤的控制需求，方便施工和維護。

1 總體設計

沙盤電源總體結構如圖1所示。市電通過總開關接入沙盤電源控制系統。所有工作節點的電源采用并聯的形式。工作節點采用TI公司的ZigBee片上系統CC2530[5]。節點通過驅動電路驅動繼電器來控制插座電源的通斷，文中提供的設計插座方便電源輸出接線，方便連接節點燈光和電機電源等設備。每個節點都擴展了溫度傳感器，由DS18B20擔任。

由圖1可見，若干個ZigBee子節點構成整個ZigBee網絡，網關節點同時兼作協調器節點，每個功能子節點都安裝有繼電器，通過繼電器控制沙盤中的電源控制點。協調器節點還發揮著網關節點功能，擴展有WiFi模塊，用于與外網控制設備互聯。每個子節點通過ZigBee片上系統的MAC地址進行標定后定位[6]。子節點安裝有溫度傳感器，具有溫度自動監控與實時上報功能，防止燈箱工作溫度過高引發火災。整個網絡設計有專用的控制協議，通過聯網智能終端與各子節點交互，下行數據發送約定格式的數據，可完成功能設置與電源開關;上行數據完成子節點溫度和工作狀態的采集。

2 節點設計

系統中的節點共分為3類。其中，第一類節點是中心節點，

配備有ZigBee協調器功能和網關功能，采集點的數據最終由其送入WiFi模塊，通過WiFi上傳到上位機，中心節點上燒寫協調器程序和網關程序;第二類節點是路由節點，也可承載電源控制與溫度數據采集任務，主要執行路由節點程序;第三類節點是功能節點，用于燈光控制與數據采集，其上燒寫功能節點程序[7]。3類節點執行ZigBee 協議，ZigBee協議棧采用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，開發平臺基于IAR7.6。3類節點的印刷電路板只需要設計一塊共用，根據不同功能焊接不同的器件，燒寫不同的程序。ZigBee網絡路由節點的最大節點數可設置為10，最大深度可達6層。

ZigBee節點設計模塊如圖2所示。主要功能通過主芯片擴展外部接口器件完成，共擴展了4種接口，可闡釋分述如下：

（1）通過GPIO擴展了繼電器，用來控制強電輸出。

（2）通過GPIO輸出芯片工作狀態指示。

（3）通過UART擴展WiFi模塊USR-C216，實現網關功能。

（4）通過GPIO擴展了溫度采集模塊DS18B20，用于溫度報警。

為方便使用，系統特別設計了輸出電源插座，插座的主視圖如圖3所示。圖3中最外層為插座面板盒，露出的連接端子包括市電接線柱、工作狀態指示燈、輸出插座、輸出接線柱，圖中的L表示火線，N表示零線，所有元件安裝在線路底板上。ZigBee無線傳感網節點的電路設計原理如圖4所示。

圖2中的繼電器模塊可更換為可控硅模塊。使用繼電器的性價比較高，響應速度能達到幾十毫秒，可滿足大多數的應用場景。如果需要做高速切換，選用可控硅切換則能達到微秒級。USR-C216為WiFi-UART透傳模塊，配置方便，既可以工作在Station模式實現聯網控制，也可以工作在AP模式，方便沒有無線網絡的場所使用[8]。溫度傳感器DS18B20采用1-wire總線接口，最大測量溫度為+125 ℃，精度為0.5 ℃，一次測量時間最大為750 ms，符合對塑料、紙板等可燃物的報警要求[9]。

由圖4可見，U1為主芯片CC2530，通過TLP521光電耦合器件給繼電器驅動電路輸出控制信號。J2為WiFi模塊USR-C216插座，其引腳1和8分別連接CC2530的P0.3和P0.2引腳，用于連接UART信號。J2模塊只焊接在網關節點上。U3為溫度傳感器DS18B20，其數據口連接到主芯片的P0.1。此外，12V電源經電源芯片U4與U5處理分別得到5 V和3.3 V，J1為程序燒寫口。整個節點外圍器件用量較少，選型性價比較高。

3 通信與交互設計

上位機及整個網絡的控制流程如圖5所示。上位機可以是智能手機、平板電腦或臺式電腦，通過圖形界面和用戶進行交互。上位機通過WiFi與網關節點通信，網關節點負責網絡建立與信息轉發。控制節點上運行的任務程序基于ZStack協議棧，通過問答方式與定時方式實現控制邏輯。

系統中節點邏輯結構采用樹型拓撲結構，圖1中的網關節點負責建立一個ZigBee網絡，其它工作節點加入網絡[10]。用戶上位機程序設計的界面發送用戶命令，獲取系統的工作狀態與報警指示。上位機可發出3種指令：廣播指令、批處理指令與獨立節點控制指令，可實現靈活組控與單獨控制。上位機通過WiFi連接到系統網關節點。ZigBee網絡建立后，網關節點主要掌握命令與狀態數據的轉發。功能節點完成執行器功能，也就是對用戶命令加以解釋執行。功能節點主要上報3種類型的狀態數據：溫度、開關狀態與定時發送的心跳包。數據采集協議共由33字節組成，各段含義見表1。上報數據隱含了節點的父子關系，據此可在上位機繪出節點拓撲結構圖。命令數據格式共由12個字節組成，見表2。命令類型共有5種，分別是：'C' 表示查詢，'S'表示休眠，'R'表示重啟，'K' 表示開，'G'表示關。

4 結束語

本文設計了基于ZigBee網絡的沙盤電源控制系統，可應對多節點的開關控制需求，通過上位機軟件研發獲得復雜的控制效果。本方案造價成本低，網絡節點容量大，擴展性好，能實現節點動態增減，不僅可以節省大量的線纜，避免復雜的控制線路設計，而且可通過WiFi網關和命令接口實現遠程實時控制與自動控制。該系統在沙盤和廣告牌展示領域具有較好的應用前景。

參考文獻

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