基于ZigBee技術的監測控制系統的研究與設計

唐祥瑋

摘 要：智能化家庭環境監測及控制系統便應運而生了。本文通過嵌入式網關技術與ZigBee無線傳感網技術相結合，嵌入式網關采用RT5350 CPU為核心，構建嵌入式網關的硬件平臺，嵌入式通過PPPOE撥號連接寬帶接入公網，實現Android客戶端遠程訪問環境檢測數據。

關鍵詞：ZigBee；嵌入式網關

1 研究背景

隨著電子技術以及互聯網的科技飛速發展，無線傳感器網得到了廣泛的應用，智能化的家電管理系統逐漸形成了控制的核心結果。近年來，隨著物聯網技術飛速發展，無線傳感技術在室內監控系統中占有了一席之地。

本文通過嵌入式網關技術與ZigBee無線傳感網技術相結合，研究設計的系統在功能上應達到如下需求：

（1）自動化控制：系統檢測到有害氣體的泄漏時，能自動及時關閉氣體閥門，無需用戶干預，保證安全與及時。

（2）實時性：系統能準確、實時地傳輸數據，從而用戶可以及時采取有效措施進行預防損害；

（3）高效和可靠性：對用戶要求快速執行相應的操作；

（4）可擴展性：可增加ZigBee終端節點根據具體環境的其他檢測，如光照強度、人體紅外數據等，根據具體要求而設計采集數據；

2 監測及控制系統整體設計方案

本系統采用的主要設備有協調器設備、多個終端節點、嵌入式網關。ZigBee終端節點主要是實現組網，通過控制繼電器的電平高低來控制空調等家電設備。系統的架構設計，如圖1所示。

系統的整體設計方案可以實現遠程監測家庭環境，并根據用戶的需求，達到控制家庭電器（空調等）設備，從而創造一個良好的舒適和安全的家庭環境；檢測有害氣體的泄漏，蜂鳴器報警，并自動實現關閉氣體閥門，并報警，提示用戶當前有有害氣體泄漏，從而大大減小對人們的傷害和降低財產損失；實現遠程控制，用戶通過外網訪問對家庭的環境情況了如指掌。

3 監測及控制系統的硬件設計

硬件系統由ZigBee節點和網關組成，如圖2所示：

本硬件系統采用德州儀器（Texas Instruments）公司的CC2530核心板，實現了ZigBee無線網通信技術。設置一個協調器節點和多個終端節來實現組網，用來滿足系統的需求。本文的ZigBee協議棧采用德州儀器（Texas Instruments）公司的Z-stack協議棧，該協議棧是基于輪轉查詢式操作系統的，其核心思想是"輪轉"和"查詢"。隨著ZigBee無線傳感網的飛速發展，越來越多芯片公司投身于ZigBee無線傳感網的研發，并相繼推出了各自的ZigBee芯片[11]。ZigBee系統的開發套件主要包括：USB在線仿真器、無線終端節點和協調器、ZigBee無線射頻模塊、2.4G天線、電源（5V）、協議分析儀、USB連線和USB轉RS-232連接線。

嵌入式網關硬件采用RT5350系列處理器，RT5350的 SoC 結合了Ralink的802.11n兼容1T1R MAC/BBP/PA/RF和高性能360MHz MIPS24KEc CPU核心。

4 系統軟件設計

系統的軟件設計包括ZigBee協議棧的開發和OSAL運行機制、添加用戶端口程序、ZigBee終端節點程序、ZigBee協調器節點程序、OpenWrt通信模塊程序和Android應用程序。

系統的軟件設計主要功能是通過在ZigBee底層自定義通信協議來發送數據報文，系統把傳感器采集到的數據反饋給用戶管理系統。在Android查詢數據時，系統設置了定時器，在規定時間內不停的發送數據報文給下位機，查詢終端上所有傳感器的數據，下位機收到數據就會返回數據給Android用戶控制系統。

5 總結

基于ZigBee技術的相關應用，其核心是組網功能。本文研究設計的系統對傳感器的驅動代碼進行了深入分析和調試，使得傳感器可以獲取更精確的數據。系統實現了ZigBee網絡的組網通信，加強了對CC2530單片機的硬件學習和組網技術分析，為后續相關研究工作的進行奠定了基礎。

（作者單位：賀州市八步區南鄉鎮人民政府）