基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

0.設(shè)計摘要

與普通的家居相比，智能家居（Smart Home）不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，能夠提供舒適安全、高品位且宜人的生活空間，還把原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸瑤椭彝ヅc外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，甚至為各種能源支出節(jié)約資金家居。無線監(jiān)控問題是當今國際建筑智能化領(lǐng)域的前沿性研究課題。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)克服了家庭中布線的煩瑣，充分體現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的靈活、方便、高效。本項目研究開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)和Internet技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，將Internet的遠程監(jiān)控與ZigBee短距離控制相結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)的家居無線控制和數(shù)據(jù)采集，避免了綜合布線，可擴展性好。

整個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)矣秒娖鞯耐瓿砷_關(guān)量的控制，還能夠?qū)θ?水表、電表、燃氣表)進行無線抄表，最重要的是可監(jiān)測來自家庭安防傳感器(火警、煤氣泄露)的數(shù)據(jù)，以備物業(yè)等部門監(jiān)控。通過測試后，證實了設(shè)計方案的正確性，結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，該設(shè)計具有一定的新穎性和實用性。本項目針對目前人們對居住環(huán)境的要求越來越高，同時家用設(shè)施的管理和安全亟待改善的迫切需要，設(shè)計了一種基于嵌入式無線通信技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，以便能夠?qū)π^(qū)中各家各戶的各種情況(煤氣泄露、火警等)進行監(jiān)控，而且還可以對家居設(shè)施進行控制。此外，物業(yè)管理單位也可以通過此系統(tǒng)為小區(qū)居民提供更為方便、人性的服務(wù)。

1.系統(tǒng)原理

本課題首先進行系統(tǒng)總體設(shè)計，結(jié)合底層ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點和系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求，將該系統(tǒng)設(shè)計分為四部分:無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、上位機顯示界面。然后對ZigBee協(xié)議標準做了全面地研究分析，同時給出了基于CC2430的無線傳輸模塊的軟硬件設(shè)計和星型網(wǎng)絡(luò)搭建，并給出了測試結(jié)果。接著設(shè)計了基于PIC32的數(shù)據(jù)處理模塊，給出了硬件電路和外圍輔助電路設(shè)計方案，并為其移植了實時操作系統(tǒng)uC/OS-II。本設(shè)計完成了基于DP43848C的以太網(wǎng)傳輸模塊設(shè)計和系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計，實現(xiàn)了從底層ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集最終到監(jiān)控機的數(shù)據(jù)傳輸并測試成功。最后在VC++6.0環(huán)境下，應用Windows Sockets套件接口開發(fā)顯示界面對底層采集的數(shù)據(jù)分類顯示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

如上圖1所示，本設(shè)計主要分為以下部分:

(1)無線傳輸模塊:基于CC2430芯片(包括無線收發(fā)及傳感器)設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，并完成各節(jié)點模塊的軟件編寫和節(jié)點間通信調(diào)試。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊:基于PIC32芯片設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊，并完成程序編寫，同時在該系統(tǒng)上移植嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OSII。

(3)以太網(wǎng)傳輸模塊:利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片DP43848C設(shè)計以太網(wǎng)通信模塊，并完成通信測試程序編寫。

(4)上位機顯示界面設(shè)計:利用VC++6.0基于WindowsSockcts編寫上位機界面程序，使經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到上位機(PC機)界面上，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

1.1.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案

ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標準是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。它采用跳頻技術(shù)，.使用的頻段分別為2.4GHz( ISM ), 868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍為1075 m。所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Kb/s--250Kb/s。功耗低，在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可以6個月到2年。網(wǎng)絡(luò)容量大，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備。成本低。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。

要從以上這些無線射頻技術(shù)中選擇一種作為本設(shè)計的無線通信方案，需要考慮的是:該方案是否能夠滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的成本要求，還有就是功耗和網(wǎng)絡(luò)容量能否滿足家庭要求。而這些問題在ZigBee技術(shù)面前都將不復存在。在智能家居系統(tǒng)中，將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡(luò)己成為趨勢。這不僅僅是因為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點。所以本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為智能家居中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。

本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型連接，主要包括了一個家庭網(wǎng)關(guān)以及若干個無線通信子節(jié)點。家庭網(wǎng)關(guān)上有一個無線收發(fā)模塊(主節(jié)點FFD )，而其他的無線通信子節(jié)點則作為End Device安放在家用電器、三表和安防傳感器上，通過這些無線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)就在主節(jié)點和子節(jié)點之間進行傳輸。智能家居中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。

圖2 智能家居中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)方案

在單個家庭中的網(wǎng)絡(luò)連接可以選用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，而如果要對整個一棟大樓、一個小區(qū)進行統(tǒng)一化的管理，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢就不那么明顯了，而且對于整個小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)來說，它所承載的數(shù)據(jù)流量就很大了，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)這種低通信速率網(wǎng)絡(luò)來說是不合適的。

以太網(wǎng)是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。它連接方便，可屏蔽干擾，通信速率可達10/100/1000Mbps以上，而且成本低廉。目前大部分的小區(qū)都要寬帶網(wǎng)，因此集中網(wǎng)絡(luò)管理采用比較流行的而且易于實現(xiàn)的以太網(wǎng)連接具有良好的性價比。

在本課題中，家庭網(wǎng)絡(luò)部分采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控，無線采集協(xié)調(diào)器再將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，最后經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)將通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C上。從而組成小區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)，如下圖3所示。

圖3 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

1.3.uC/OS-II的移植

實時系統(tǒng)中任務(wù)的執(zhí)行大多數(shù)都是由外部事件觸發(fā)的。也就是說，實時操作系統(tǒng)的主要工作就是響應并處理各種外部事件。因此，對于每個外部事件都對應有一個處理這個事件的程序模塊，這些模塊就是任務(wù)。在移植前，把問題分析清楚，將問題分割成多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整個應用的一部分，被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和堆?？臻g。任務(wù)執(zhí)行一次后，設(shè)置延時OSTDIy，表明經(jīng)過OSTDIy個定時器中斷周期后任務(wù)再次運行，然后進行任務(wù)切換，讓處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。uC/OS-II的任務(wù)實際上就是一段程序，在運行該程序時，可以認為CPU就完全屬于該程序本身。在本設(shè)計中，所移植的系統(tǒng)建立了8個任務(wù)(參照見圖2):

0號任務(wù)，用來監(jiān)測安防傳感器(煤氣泄露)。在執(zhí)行該任務(wù)時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇與安防傳感器(煤氣泄露)終端節(jié)點通信，采集傳感器數(shù)據(jù)。

1號任務(wù)，用來監(jiān)測安防傳感器(溫度)。在執(zhí)行該任務(wù)時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇與安防傳感器(溫度)終端節(jié)點通信，采集傳感器數(shù)據(jù)。

2號任務(wù)，與0號任務(wù)對應，將安防傳感器(煤氣泄露)采集的數(shù)據(jù)最終通過以太網(wǎng)上傳到上位機上。

3號任務(wù)，與1號任務(wù)對應，將安防傳感器(溫度)采集的數(shù)據(jù)最終通過以太網(wǎng)上傳到上位機上。

4號任務(wù)，用來控制冰箱、空調(diào)、電視、燈的電源開關(guān)，通常情況下，這些開關(guān)型控制，只用一個任務(wù)就可以完成，只要在執(zhí)行該任務(wù)時，同時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同時發(fā)送一個16位地址符就可以選擇出所要執(zhí)行開關(guān)任務(wù)的終端節(jié)點。

5號任務(wù)，單獨為窗簾建立一個任務(wù)。因為窗簾的控制是一個閉環(huán)控制。

6號任務(wù)，為電表、水表、燃氣表的數(shù)據(jù)采集建立一個任務(wù)。因為水表、電表、燃氣表的數(shù)據(jù)對實時性要求沒有那么高，可以分時采集，在執(zhí)行該任務(wù)時，同時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同時發(fā)送一個16位地址符就可以選擇出所要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)的終端節(jié)點，另外，還要為該任務(wù)調(diào)用一個延時函數(shù)，并設(shè)置延時時鐘周期數(shù)，從而最終實現(xiàn)在三表間輪流數(shù)據(jù)采集。

7號任務(wù)，用來對三表數(shù)據(jù)上傳到上位機建立任務(wù)。對應于任務(wù)6，分別將從水、電、燃氣表采集的數(shù)據(jù)立即上傳。

它們具有各自獨立的堆?？臻g和不同的靜態(tài)優(yōu)先級，0號任務(wù)優(yōu)先級最高，7號任務(wù)優(yōu)先級最低。對于0號任務(wù)---3號任務(wù)，由于它們是保證家居安全的是不允許中斷響應的，所以在這些任務(wù)開始執(zhí)行時，一定要關(guān)閉中斷。

1.4.基于Visual C++的上位機顯示界面設(shè)計

在整個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計當中，上位機(PC機)可以為用戶提供一個友好、交互的人機界面。假如管理人員需要調(diào)用小區(qū)中任意一戶的數(shù)據(jù)記錄時，可以查詢該上位機的存儲的數(shù)據(jù)即可。這里我們利用Visual C++編寫上位機的管理界面，主要采用了Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)接口控件，大大簡化了設(shè)計難度。

首先，Windows Sockets作為Microsoft Windows的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計接口，它是從Berkeley Sockets擴展而來的，以動態(tài)鏈接庫的形式提供給我們使用。重要的是，Windows Sockets是基于TCP/IP協(xié)議的，應用程序調(diào)用Windows Sockets的API實現(xiàn)相互之間的通信，而Windows Sockets則是利用下層的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議功能和操作系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)實際的通訊工作的。

2.軟件流程介紹

2.1智能家居中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點流程

網(wǎng)絡(luò)建立成功后，需要添加終端設(shè)備(終端節(jié)點)進入這個網(wǎng)絡(luò)。允許設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接的流程圖如圖4所示。終端設(shè)備通過發(fā)送NLME-JOIN.request原語來開始執(zhí)行孤點方式同網(wǎng)絡(luò)連接，其原語 RejoinNetwork參數(shù)設(shè)置為TRUE。

圖4 終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)流程圖

首先，終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體將請求MAC層對PHY層所規(guī)定的所有有效通信信道進行孤點掃描。通過向MAC層發(fā)送MLME--SCAN.request原語開始進行孤點掃描，其掃描的結(jié)果通過MLME--SCAN.confirm原語返回到網(wǎng)絡(luò)層管理實體。然后，如果該終端設(shè)備掃描到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將通過發(fā)送MLME--JOIN.confirm原語向其上層報告請求連接，其原語的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為SUCCESS，否則設(shè)置為NO-NETWORKS。

整個星型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)的軟件流程圖如下圖5所示。

當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器正常工作后，則建立網(wǎng)絡(luò)成功。這時候再打開兩個或更多終端節(jié)點，就能讓這些節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

圖5星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程圖

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