基于ZigBee的沙盤節(jié)點電源控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(tǒng)的有線控制方式不夠靈活，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制效果。本文設(shè)計了一種基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)沙盤電源的節(jié)點單獨控制與成組控制，節(jié)點可動態(tài)增減，有效地克服了傳統(tǒng)控制方式的缺點。節(jié)點設(shè)計基于CC2530片上系統(tǒng)，ZigBee協(xié)議棧采用TI公司的ZStack。設(shè)計了控制協(xié)議，利用上位機軟件可做出復(fù)雜的控制效果和獲取節(jié)點的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： ZigBee;沙盤;節(jié)點控制;網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(xué)、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(xiàn)有沙盤的燈光等電源節(jié)點和電源控制多是采用機械開關(guān)或有線方式控制，能夠變換出一些簡單的控制效果，但導(dǎo)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(shù)，本文設(shè)計了一種沙盤節(jié)點組網(wǎng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多節(jié)點控制，節(jié)點可動態(tài)組網(wǎng)和動態(tài)增減;利用系統(tǒng)的命令接口，上位機軟件可靈活控制每個節(jié)點的開關(guān)，實現(xiàn)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(shè)計

沙盤電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。市電通過總開關(guān)接入沙盤電源控制系統(tǒng)。所有工作節(jié)點的電源采用并聯(lián)的形式。工作節(jié)點采用TI公司的ZigBee片上系統(tǒng)CC2530[5]。節(jié)點通過驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器來控制插座電源的通斷，文中提供的設(shè)計插座方便電源輸出接線，方便連接節(jié)點燈光和電機電源等設(shè)備。每個節(jié)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(jié)點構(gòu)成整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點同時兼作協(xié)調(diào)器節(jié)點，每個功能子節(jié)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(xié)調(diào)器節(jié)點還發(fā)揮著網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能，擴展有WiFi模塊，用于與外網(wǎng)控制設(shè)備互聯(lián)。每個子節(jié)點通過ZigBee片上系統(tǒng)的MAC地址進行標定后定位[6]。子節(jié)點安裝有溫度傳感器，具有溫度自動監(jiān)控與實時上報功能，防止燈箱工作溫度過高引發(fā)火災(zāi)。整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有專用的控制協(xié)議，通過聯(lián)網(wǎng)智能終端與各子節(jié)點交互，下行數(shù)據(jù)發(fā)送約定格式的數(shù)據(jù)，可完成功能設(shè)置與電源開關(guān);上行數(shù)據(jù)完成子節(jié)點溫度和工作狀態(tài)的采集。

2 節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)中的節(jié)點共分為3類。其中，第一類節(jié)點是中心節(jié)點，

配備有ZigBee協(xié)調(diào)器功能和網(wǎng)關(guān)功能，采集點的數(shù)據(jù)最終由其送入WiFi模塊，通過WiFi上傳到上位機，中心節(jié)點上燒寫協(xié)調(diào)器程序和網(wǎng)關(guān)程序;第二類節(jié)點是路由節(jié)點，也可承載電源控制與溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)，主要執(zhí)行路由節(jié)點程序;第三類節(jié)點是功能節(jié)點，用于燈光控制與數(shù)據(jù)采集，其上燒寫功能節(jié)點程序[7]。3類節(jié)點執(zhí)行ZigBee 協(xié)議，ZigBee協(xié)議棧采用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，開發(fā)平臺基于IAR7.6。3類節(jié)點的印刷電路板只需要設(shè)計一塊共用，根據(jù)不同功能焊接不同的器件，燒寫不同的程序。ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的最大節(jié)點數(shù)可設(shè)置為10，最大深度可達6層。

ZigBee節(jié)點設(shè)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(tài)指示。

（3）通過UART擴展WiFi模塊USR-C216，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)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(tǒng)特別設(shè)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(tài)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(wǎng)節(jié)點的電路設(shè)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(yīng)速度能達到幾十毫秒，可滿足大多數(shù)的應(yīng)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(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，也可以工作在AP模式，方便沒有無線網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(wǎng)關(guān)節(jié)點上。U3為溫度傳感器DS18B20，其數(shù)據(jù)口連接到主芯片的P0.1。此外，12V電源經(jīng)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(jié)點外圍器件用量較少，選型性價比較高。

3 通信與交互設(shè)計

上位機及整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)節(jié)點通信，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立與信息轉(zhuǎn)發(fā)。控制節(jié)點上運行的任務(wù)程序基于ZStack協(xié)議棧，通過問答方式與定時方式實現(xiàn)控制邏輯。

系統(tǒng)中節(jié)點邏輯結(jié)構(gòu)采用樹型拓撲結(jié)構(gòu)，圖1中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)建立一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其它工作節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)[10]。用戶上位機程序設(shè)計的界面發(fā)送用戶命令，獲取系統(tǒng)的工作狀態(tài)與報警指示。上位機可發(fā)出3種指令：廣播指令、批處理指令與獨立節(jié)點控制指令，可實現(xiàn)靈活組控與單獨控制。上位機通過WiFi連接到系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要掌握命令與狀態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。功能節(jié)點完成執(zhí)行器功能，也就是對用戶命令加以解釋執(zhí)行。功能節(jié)點主要上報3種類型的狀態(tài)數(shù)據(jù)：溫度、開關(guān)狀態(tài)與定時發(fā)送的心跳包。數(shù)據(jù)采集協(xié)議共由33字節(jié)組成，各段含義見表1。上報數(shù)據(jù)隱含了節(jié)點的父子關(guān)系，據(jù)此可在上位機繪出節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)圖。命令數(shù)據(jù)格式共由12個字節(jié)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(guān)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的沙盤電源控制系統(tǒng)，可應(yīng)對多節(jié)點的開關(guān)控制需求，通過上位機軟件研發(fā)獲得復(fù)雜的控制效果。本方案造價成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大，擴展性好，能實現(xiàn)節(jié)點動態(tài)增減，不僅可以節(jié)省大量的線纜，避免復(fù)雜的控制線路設(shè)計，而且可通過WiFi網(wǎng)關(guān)和命令接口實現(xiàn)遠程實時控制與自動控制。該系統(tǒng)在沙盤和廣告牌展示領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

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