基于ZigBee技術的新風除濕控制系統設計

高尚欣 孫培巖 滿長忠 唐運榜

（大連理工大學，遼寧 大連 116000）

我國國民生活水平逐漸上升，環保健康的生活理念不斷深入人心，人們對于室內環境品質有了更高的要求。新風除濕系統的引入，彌補了空氣凈化器只能在室內自循環的缺點，結合通風設施和過濾系統，可有效改善室內空氣質量[1]。文章基于ZigBee技術進行新風除濕控制系統的開發設計，結合嵌入式、無線傳感網絡技術以及云服務，實現對新風除濕系統的遠程監測和智能控制。

1 新風除濕控制系統總體設計

新風除濕控制系統設計包括家居無線傳感網絡和系統控制端，控制端包括家居中央控制面板以及手機App移動控制端，系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

文章采用ZigBee技術搭建家庭無線傳感網絡，將各個傳感器和新風除濕等終端控制模塊接入ZigBee網絡節點，在網絡中進行數據采集和傳輸。將采集的家居環境信息和自身狀態信息、網絡狀況上報家庭網關，并接收控制端命令、網絡配置等信息，并在家居無線傳感網絡內部數據路由，保證目的設備接收并執行。

文章采用物聯型串口觸摸屏作為系統的家居中央控制面板，通過串口和ZigBee無線傳感網絡中的協調器進行通信，從而獲取家居環境數據信息并在顯示屏中展示，同時通過面板觸控下發控制命令。物聯型串口屏可以通過內置WiFi模塊連接阿里云平臺，為家庭網關和云平臺建立遠程通信，依托阿里云生活物聯網平臺進行手機App開發，實現對新風除濕系統的遠程控制以及控制端的遠程通信同步。

2 搭建ZigBee無線傳感網絡

2.1 無線傳感網絡整體設計方案

無線傳感網絡集成了監測、控制以及無線通信技術的多跳自組織無線網絡，可以將一系列空間分散的傳感器節點通過自組織網絡進行無線連接，將各自采集的數據通過網絡進行傳輸匯總，實現對網絡覆蓋區域內環境狀況的協同監控，并執行分析和處理[2]。

ZigBee是由ZigBee聯盟基于IEEE 802.15.4建立的技術標準，是一種新興的近距離、低功耗、低復雜度、低成本、自組網且可靠較高的無線傳感網絡技術[3]，可以嵌入各類型設備中，廣泛應用于工業控制、傳感監控、智能家居和智慧農業等領域，是目前最適合無線傳感網絡接入端的無線通信技術。

在進行ZigBee無線傳感網絡設計開發時，硬件方面需要支持ZigBee 底層協議，軟件方面需要ZigBee協議棧的支持，ZigBee協議棧主要負責完成網絡建立、數據路由等通信功能，硬件芯片模塊則負責承載協議棧的運行并完成相關的數據采集和終端控制功能。文章采用以CC2530無線射頻芯片為核心，執行Z-Stack協議棧的設計方案，建立ZigBee無線傳感器網絡。

2.2 ZigBee無線傳感網絡軟件實現

協調器和終端設備工作流程如圖2、圖3所示，根據流程進行ZigBee軟件的設計開發。

圖2 協調器工作流程

圖3 終端設備工作流程

在ZigBee無線傳感器網絡中，協調器節點將作為系統的采集節點，而終端設備節點依據功能分為傳感節點和控制節點兩種類型，通過建立星型拓撲結構網絡形成無線連接，建立綁定關系。終端傳感節點通過連接各類傳感器，獲取環境溫濕度、空氣質量等外界信息，協調器采集節點負責接收ZigBee網絡中各終端傳感節點信息，通過串口將采集的數據上傳至網關，協調器也接收系統控制端發出的新風除濕控制命令，并轉發至終端控制節點具體執行。

協調器節點作為采集節點在上電激活后負責建立網絡，同時作為無線傳感網絡的核心，負責配置節點網絡信息、進行網絡拓撲管理以及信息上報網關等功能；終端設備節點在上電啟動后加入網絡，自動發起綁定請求，與采集節點建立綁定之后，傳感器節點將采集的環境信息發送至協調器采集節點，控制節點將接收并執行協調器節點轉發的控制命令信息。

2.3 ZigBee無線傳感網絡硬件支持

協調器節點作為無線網絡的總控制器，主要負責網絡管理、節點綁定以及信息上傳網關等功能。為保證充足的存儲資源和計算能力，應在CC 2530最小模塊的基礎之上，增加供電電路、JTAG接口、按鍵等關鍵電路，就可以充分滿足ZigBee協調器的硬件需求。

終端設備節點作為無線傳感網絡的傳感設備和執行器，主要負責環境信息采集和終端控制等具體功能，當上電激活加入網絡并和協調器建立綁定關系之后，需要進行穩定的數據采集和傳輸，并能夠靈活迅速地執行控制命令。在終端節點硬件設計時，應保證硬件能夠實現穩定組網、入網以及無線數據傳輸等網絡通信能力，需要準確的信息感知模塊以及靈活的控制模塊。

文章采用DHT11數字溫濕度傳感器采集家居環境溫濕度數據信息，DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，并且采用專門的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，以此確保產品的高可靠性[4]。此外，本文使用SGP 30氣體傳感器采集室內空氣質量信息，其中最主要的是測量CO2和TVOC濃度。

終端控制節點作為執行器接收控制端命令對新風除濕系統進行控制，因此控制節點要實際接入各新風除濕機組的控制端，并通過繼電器電路等中繼控制模塊驅動各個機組，控制新風除濕開關、風速調節以及模式切換等具體功能的實現。

完成協調器節點、終端傳感節點和控制節點的硬件設計之后，通過JTAG接口將程序依次燒錄至各個ZigBee設備節點，上電激活之后即可組成ZigBee無線自組織網絡，實現家庭范圍內各個傳感設備和控制設備之間協同工作。

3 新風除濕系統控制端設計

新風除濕系統具有家居中央控制面板控制和手機App遠程控制兩種控制方式。文章采用廣州大彩物聯型串口觸摸屏作為新風除濕控制系統中央控制顯示面板，通過串口和ZigBee無線傳感網絡中的協調器進行通信，從而獲取家居環境數據信息并在顯示屏上直觀展示，同時通過面板觸控下發控制命令，使新風除濕系統的監測與控制更加直觀、方便和快捷。此外，物聯型串口屏可以通過內置WiFi模塊和阿里云平臺進行數據交互，并且依托云平臺進行手機App開發[5]，實現對新風除濕系統的遠程控制。

家居控制面板開發過程中，控制面板界面UI設計以新風除濕系統控制端的功能實現為導向，進行功能導航圖標和背景設計，同時對主界面和各個功能界面進行合理布局，使用Visual TFT工程軟件進行功能開發，利用按鈕、開關、菜單欄、二維碼等組態控件實現系統的功能需求，以LUA腳本語言進行復雜邏輯功能和物聯網應用開發。

新風除濕控制系統中央控制界面如圖4所示。

圖4 新風除濕控制系統中央控制界面

作為新風除濕系統的家居中央控制面板，可以在屏幕上實時監測室內環境信息，包括溫濕度、空氣質量等，通過控制中心對新風除濕系統進行開關控制、風速調節和輔助功能管理，能夠自由切換新風除濕系統工作模式。作為家庭網關，中控顯示屏可以連接室內WiFi，與阿里云端服務器建立連接，實現手機App遠程通信。

手機App界面如圖5所示。

圖5 手機App界面

使用阿里云提供的生活物聯網平臺進行手機端App開發，創建新風除濕系統項目和產品，根據新風除濕系統的實際功能需求對系統屬性進行功能定義，包括設備的屬性、服務和事件，之后進入人機交互模塊設計開發配置手機App，完善新風除濕系統各個功能模塊，同時和家居中控顯示屏建立關聯，并提高整體的界面美觀性。App開發完成后可進行設備調試和產品發布，添加串口屏設備和App建立關聯，選擇對應的WiFi芯片模組，獲取阿里云平臺生成的設備激活碼（三元組），并通過LUA腳本配置將其燒錄至屏幕。串口屏在連接WiFi之后，掃描顯示屏云端界面二維碼可將手機App和串口屏之間建立綁定關系，手機App可通過云端服務器向串口屏下發數據命令，同時屏幕的控制狀態和參數也會上傳至阿里云服務器，移動端同步更新，實現設備終端和手機App端的遠程通信。

4 結語

文章基于ZigBee的新風除濕控制系統搭建了組網靈活、可擴展的家庭無線傳感網絡，能夠使數據的路由傳輸更加安全可靠，還可以集成更多家居家電的控制系統進行協調控制，提供了更加人性化的交互界面以及遠程智能控制系統，兼顧了家居中央控制面板和手機App遠程控制兩種控制方式，有效完成了設備-云端-App的互聯互通。