基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統

范 燕， 俞 洋， 李永義， 丁益星

(1.常州信息職業技術學院 電子與電氣工程學院,江蘇 常州 213164； 2. 江蘇理工學院電氣信息工程學院,江蘇 常州 213164； 3.南京工業大學 交通學院，江蘇 南京 210009)

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·計算機技術應用·

基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統

范 燕1， 俞 洋2， 李永義3， 丁益星3

(1.常州信息職業技術學院 電子與電氣工程學院,江蘇 常州 213164； 2. 江蘇理工學院電氣信息工程學院,江蘇 常州 213164； 3.南京工業大學 交通學院，江蘇 南京 210009)

提出了一種將Internet、移動通信、WSN、傳感器網絡以及自動控制等多種技術融為一體的遠程監控方案；給出了ZigBee/IP變換接口設計方案，包括PC機實現方案和以太網卡實現方案，實現了通過Internet進行遠程監控的功能；給出了ZigBee/GSM變換接口設計方案，包括PC機實現方案和單片機實現方案，實現了通過移動電話進行遠程監控的功能；開發了基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統控制臺軟件和Web服務器軟件，構建了智能家居監控系統基礎平臺。通過系統聯調證明，終端結點與協調器、協調器與USB、控制臺和Internet、協調器與以太網模塊、協調器與GSM模塊之間的數據傳輸穩定，能夠通過Internet或移動終端對監控點進行監視，在監控點發生異常的情況下能夠通過GSM網絡給關系人發送短消息和打電話、報警。

無線傳感器網絡； CC2430； IAR； C8051F320； KEIL C； MSP430； CP2200； C8051F

0 引 言

隨著Internet 和移動通信技術的快速發展以及通信業務多樣化需求的增加，人們提出了通信無處不在的概念，從第4 代移動通信(4G)和網絡的觀點出發，這種概念也被稱為泛網(Ubiquitous Network)[1]。近2年來，國內外眾多學者及研究機關圍繞泛網進行了許多相關研究，教育部于2005 年12 月在北京郵電大學建立了泛網無線通信教育部重點實驗室，日本于2006 年推出了u-Japan(實現Ubiquitous Network 社會)計劃[2]。在泛網領域中，無線傳感器網絡(WSN)是主要的技術之一[4]。另一方面，從涵蓋知識面的角度看，WSN 包含了射頻技術、通信協議、傳感器技術、嵌入式技術、單片機技術以及電路制作工藝等綜合知識。

目前，ZigBee、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB：Ultra Wide Band)等短距離通信規范相繼問世，采用這些規范構成的WSN 系統也很多。市場上應運而生了不少汽車報警設備及智能家居產品[4-12]。但是，從應用的便利性、產品價格以及技術手段的先進性來看，許多產品還存在著一些缺陷。例如，國內目前智能家居主要是采用有線方式，在使用和安裝上局限性較大；醫院的監控系統大都采用有線方式，發生緊急情況時，需要病人按鍵通知醫生，這樣，對于心臟病突發等緊急情況，就會延誤時機。基于這樣的情況，本文提出了一種將Internet、移動通信、WSN、傳感器網絡以及自動控制等多種技術融為一體的遠程監控設計方案，并將該方案用于智能空調遠程控制系統。

1 系統設計方案

基于ZigBee WSN的遠程監控系統方案，其結構如圖1所示。圖中，FFD(Full Function Device)表示能夠和其他所有的結點進行通信的全功能結點。因為FFD擔負著網絡建立、維護以及對其他通信結點進行協調等任務，是對個域網絡(Private Area Network，PAN)進行管理的信號匯聚結點，所以稱為協調器。RFD(Reduced Function Device)表示帶有傳感器的終端結點，或者帶有傳感器和無線控制器的終端結點。室內的空調、照明設備、電視、門鎖以及氣體、溫度、濕度等傳感器都通過RFD與FFD進行無線通信[13]。FFD利用ZigBee/IP轉換接口設備，通過ADSL等寬帶網絡接入Internet，家庭主人可以在遠離住宅的地方通過Internet來檢測家里發生的情況，并可以通過Internet對家里的空調、排風設備、抽濕設備等進行控制[14]。另一方面，FFD中帶有與移動網絡通信的無線空中接口模塊，FFD可以將RFD監測得到的必要信息通過公共移動網絡即時地發送到家庭主人的手機上，還可將門窗被撬等緊急信息同時發送給110。家庭主人也可以使用手機對空調、排風設備、抽濕設備等進行遠程控制。

圖1 遠程監控系統結構

2 系統各模塊硬件與軟件設計

按照功能可以把設計內容分為無線傳感器網絡、USB接口、ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM接口以及設備監控等4個部分[3-5]。無線傳感器網絡部分實現終端節點、路由器、協調器之間的無線通信及信號檢測；ZigBee/IP變換部分實現zigBee數據與IP數據的互相轉換；ZigBee/GSM接口部分實現手機和傳感器網絡的通信；設備監控部分對檢測對象進行監視，并根據來自用戶的指令控制設備的工作狀態。下面就分別從硬件設計和軟件設計兩個方面簡要介紹設計中采用的主要技術。

2.1 無線傳感器網絡

無線通信模塊采用射頻芯片CC2430。 CC2430芯片以強大的集成開發環境為支持，內部線路的交互式調試遵從IDE的IAR環境。設計制作了WSN的硬件，編寫了數據傳輸的通信程序，實現了ZigBee終端與協調器之間的無線通信以及協調器與USB接口的有線通信[10]。

2.1.1 結點的硬件設計

本設計采用TI公司的CC2430射頻芯片，ZigBee結點由CC2430模塊、電源模塊及傳感器模塊構成。結點的原理圖如圖2所示。

2.1.2 通信軟件設計

傳感器網絡需要把終端節點采集的溫度值發送到協調器，協調器將各個終端節點采集的數據由串口輸出到USB接口[7]。通信軟件設計采用了TI協議棧和嵌入式集成設計工具IAR。終端向協調器發送數據以及協調器向USB發送數據的主要源代碼較長在此省略。

2.2 USB接口設計

USB接口模塊，實現ZigBee網絡中協調器(CC2430/CC2431)與PC機的正常通信、PC控制臺與Internet 之間的數據收發的協調以及突發事件的控制處理。

圖2 結點原理圖

2.2.1 USB模塊的硬件設計

USB的控制芯片選用C8051F320單片機，它的主要作用是實現數據的中間轉發。單片機與PC機連接通過自帶的USB收發器實現，與ZigBee協調器通信采用RS232串口方式。USB模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 USB模塊的原理圖

2.2.2 軟件設計

軟件設計包括單片機固件程序、PC機界面應用程序和驅動程序的編寫[6]。固件程序采用USB 2.0規范，選用KEIL C編程，并采用JTAG口調試工具進行調試和程序下載；PC機端的界面應用程序采用Visual C++ 6編程。圖4給出了主程序流程圖。中斷服務子程序及PC機應用程序的流程圖此處略。

2.3 ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM接口設計

ZigBee/IP變換及ZigBee/GSM 接口模塊，主要由Internet網絡監控系統和GSM監測系統組成[8-9]。Internet網絡監控系統運用ASP動態網頁編程技術編寫網頁，將節點數據在Internet網絡上實時顯示，并且在數據顯示頁面中設置了控制按鈕，方便用戶遠程通過Internet對節點的狀態進行控制；GSM監測系統監測節點狀態，采用PC機模式或單片機模式控制GSM模塊發送短消息或者撥打電話，實現報警功能。

圖4 主程序流程

2.3.1 硬件設計

GSM模塊選用西門子公司的MC39i芯片，單片機控制模塊采用MSP430芯片，語音處理模塊采用ISD公司的4002芯片。

2.3.2 軟件設計

ZigBee/IP變換部分采用超文本標記語言HTML和ASP編成環境實現。設計ZigBee/GSM軟件時，首先對ZigBee數據格式、AT命令以及短消息的PDU編碼進行分析，在此基礎上設計了發送短消息和撥打電話的應用程序。單片機控制GSM撥打電話的源代碼如下面程序清單所示。單片機控制GSM發送短消息程序清單略。

void main(void)

{

unsigned char i;

unsigned char KeyBuff;

SystemInit();//系統配置

SysClkInit();//配置系統時鐘

PortInit();//端口配置

Uart0Init();//串口初始化

//發送一個AT 指令

Uart0SendString("AT",2);

Uart0Send(end);

DelayMs(1000);//延遲100 mS

while(1){

if(KEY1==0) {

DelayMs(10) ;//延遲100 mS

if(KEY1==0) {

Uart0SendString("ATD"13815036139";",17);//設置長度

Uart0Send(end);

DelayMs(10);//延遲100 mS

while(KEY1==0);

}

}

}

}

2.4 設備監控

設備監控包括家庭網關和智能終端兩部分。

2.4.1 硬件設計

家庭網關由Zigbee模塊、MSP430單片機系統、GSM模塊、以太網模塊和觸摸屏模塊組成；智能終端由Zigbee模塊、串口橋模塊和紅外遙控模塊組成[15]。本文只對家庭網關的硬件進行說明，智能終端及橋接模塊等其他硬件略。

家庭網關主要由ZigBee FFD節點和各種通信模塊組成，基本結構如圖5所示。

圖5 家庭網關的系統結構

以太網模塊的控制器采用是Silabs公司的CP2200芯片，MCU選擇Silabs公司公司的C8051F系列單片機。以太網模塊的原理圖如圖6所示。

圖6 以太網模塊的原理圖

2.4.2 軟件設計

以太網模塊、串口橋模塊及紅外發射模塊的軟件流程分別如圖7～9所示。

3 家庭網關和智能終端的實物圖

將上述4個子模塊的硬件組合在一起構成的家庭網關和智能終端的硬件構成分別如圖10、11所示。

4 結 語

通過系統聯調證明，終端結點與協調器、協調器與USB、控制臺和Internet、協調器與以太網模塊、協調器與GSM模塊之間的數據傳輸穩定，能夠通過Internet或移動終端對監控點進行監視，在監控點發生異常的情況下能夠通過GSM網絡給關系人發送短消息和打電話、給110或119報警。并且能夠通過Internet或移動終端給遠程控制空調控制器發送控制指令，控制空調的工作狀態，實現了遠程監控的基本目的，為泛網研究打下了一定基礎。系統面向市場、實用性強，具有很好的應用前景。

圖7 以太網模塊的程序流程

圖8 串口橋模塊的程序流程

圖9 紅外發射模塊的程序流程

圖10 家庭網關實物圖

圖11 智能終端實物圖

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Research on Remote Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

FANYan1，YUYang2，LIYong-yi3，DINGYi-xing3

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164, China; 2. College of Electric Information Engineering, Jiangsu Institute of Technology, Changzhou 213164, China; 3. College of Transportation Science and Engineering,Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

Based on the Internet, mobile communication, WSN, sensor network and automatic control, a kind of remote monitoring scheme is presented. The design scheme of ZigBee/IP transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and Ethernet card. And the function of remote monitoring by Internet is achieved. The design scheme of ZigBee/GSM transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and MCU. And the function of remote monitoring is achieved by the mobile phone Internet. Based on ZigBee wireless sensor network, console software and web server software of the remote monitoring system are developed. And the basic platform of monitoring system for the smart home is constructed. The stability of data transmission is proved by the system debugging, between terminal nodes and the coordinator, coordinator and USB, console and Internet, coordination and the Ethernet module, coordinator and GSM module. The monitoring can be realized by the Internet or mobile terminal. When an abnormality is happened, the system can inform the people by the GSM network through sending short messages, calling, or alarming.

wireless sensor network; CC2430; IAR; C8051F320; KEIL C; MSP430; CP2200; C8051F

2015-05-10

國家自然科學基金青年項目(51278245);江蘇省高校自然科學基金面上項目(14KJB510010);常州市基礎研究計劃(CJ20140058)

范 燕(1981-)，女，江蘇如皋人，講師、工程師，主要研究方向：電子技術。E-mail:136029790@qq.com

TN 919.72

A

1006-7167(2016)01-0080-05