基于Zigbee的智能控制系统

基于Zigbee的智能控制系统

本文研究主要基于硬件平台：NXP LPC1769（Cortex-M3 微控制器），以Zigbee无线传感器网络技术为基础，设计了智能系统。主要以家居智能系统为例，包括智能门禁系统、自动窗帘、安防系统、可燃气体泄漏监测、居室内外温度检测.通过短信与用户交互，可以实时发现家居隐患以及简单的安防。此次设计统秉承了无线传感器网络低功耗、低成本、分布式和自组织的优点，其灵活性和可靠性得到了提高，也方便用户进行无线和远程监测控制。

标签：NXP1769Zigbee无线传感器网络智能系统

1 系统设计总体方案

1.1 系统设计背景及环境

ZigBee是近年来提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

LPC1700系列Cortex-M3 微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。ARM Cortex-M3 是下一代新生内核，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的操作频率可达100MHz。ARM Cortex-M3 CPU具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。ARM Cortex-M3 CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、带独立

电池供电的超低功耗RTC和多达70个通用I/O管脚。

1.2 总体设计框图

基于无线传感器网络的智能家居网络主要是由若干执行机构、若干无线传感器节点、无线协调机构，辅助机构，家居控制中心组成。其中，节点分布于客厅、卧室、厨房等需要监测的区域内，执行数据采集、处理和通信工作。无线执行机构负责向主控报警，窗帘开合和，模式开启电锁开关，等控制功能。无线协调机构是节点和控制中心的信使，转发两者之间的通信数据。家居无线控制中心处理来自无线协调机构的信息，并且为互联网的连接提供接口进行远程控制。

此次设计结合智能家庭网络系统的特点，如家庭内部无线网络连接距离较短，分布的节点并不是太多，并且数据的传输量也不是太大。基于家庭网络的这些特点，以协调器（协调机构）为中心节点组建一个星形家庭网络。

家居系统的控制中心，是整个系统的大脑，它支配整个系统的活动。它可以发命令给协调器，由协调器通过传输转达给终端，协调器和终端之间是无线通信。终端获得信息后控制外设传感器等器件，这些外设就属于执行机构，他们时刻等待命令，一旦接受立即执行相应操作。

协调器是控制中心和终端的信使，它实现了控制中心和终端的双向无线通信。

终端是系统的前线，它起着数据供给的作用。它在系统的边缘，它是数据采集终端，算是拥有独立系统的单元，它有独立的微控制器（嵌入8051内核），所以可对控制中心发来的命令，经过分析之后命令执行机构作出相应操作。终端和协调器是无线双向通信的。协助机构是系统向用户远程传达信息的，比如语音电话手机。

1.3 系统功能

此次设计的智能无线网络系统功能包括：智能门禁系统、自动窗帘、可燃气体泄漏监测、居室内外温度检测和语音电话和短信报警，可以实时发现隐患。

1.3.1 智能门禁系统

当人走到家居门口时，人体红外模块检测有人，人体携带着身份识别标签（预先设置好的ID卡或者钥匙卡）时，标签会发送加密身份信号给门禁Zigbee设备，门禁系统经过分析判断后决定是否开启数字门锁，用户再也不用自己掏钥匙开门了；而为了方便用户出门不用去扭开数字门锁，我们在室内接了一个独立开关，只要用户按下开关，门锁就开了，方便用户出门。

1.3.2 自动窗帘

当用户选择菜单的开闭窗帘功能时候，窗帘会在打开或者关闭停到合适的位置。由于用户的窗户窗帘的尺寸可调，所以窗帘开/关的时间由用户在菜单上自行设定。自动窗帘还可以手动操作，由用户自动调节窗帘的位置。

1.3.3 可燃气体泄漏监测

在厨房安装可燃气体检测传感器节点，一旦检测到可燃气体浓度超标或者发生火灾，立即报警和短信远程报警通知，保证家居内人员的人身安全。该节点还包括了一个温湿度传感器，可检测厨房温度和湿度。

1.3.4 语音电话及短信报警

在平时，语音电话是充当普通语音电话，可以拨打和接听电话，里面插上可用的SIM卡既可以了。当发生火灾或者可燃气体泄漏浓度超标的时候，蜂鸣器开启并且以短信方式发送给用户报警。发送报警短信的电话号码用户可以设置的。

2 系统设计原理

2.1 系统设计原理

根据系统方案勾勒出了系统的物理框架和介绍了主要的通信协议—Zigbee 协议。这次设计是在物理结构的基础上，分模块实现各种功能，物理结构之间通过指定的通信协议进行相互传达信息。CC2430是符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee产品，为此次系统的无线通信提供了条件。

2.1.1 节点

节点是整个系统网络的边缘，是以CC2430开发板为核心，外接各种传感器，门禁模块（读卡器，数字电控锁）人体红外模块（安防数据采集）和控制器件等。节点所用的传感器为温湿度传感器DHT11和可燃气体检测传感器MQ-2；门禁读卡器读取ID卡识别身份；数字电控锁是基于门禁读卡上的，需要识别用户ID 卡信息；人体红外模块通过检测人体释放红外线获得数据，为安防提供数据；其他控制器件如直流减速电机用在窗帘控制。节点和协调器是通过串口通信的。

2.1.2 协调器

协调器是控制中心和节点的信使，也是CC2430开发板，它通过无线接收得到各个节点采集到的数据，他们之间的通讯是遵循Zigbee协议的。协调器和控制中心是通过串口通信的。

2.1.3 控制中心

控制中心（NXP LPC1769核心板），主要是综合和控制信息，是整个系统的大脑。控制中心和协调器以及语音电话和短信报警都是通过串口通信。

2.1.4 GSM模块

语音电话和短信报警是一个GSM模块。平时，该模块是充当普通的语音电话；当出现可燃气体泄露和非法入侵等家居隐患发生时候，则马上短信报警通知用户。

2.2 主要通信协议—Zigbee协议

2.2.1 协议框架

ZigBee标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的IEEE 802.15.4-2003标准定义了底层：物理层(Physical Layer，PHY)和媒体访问控制层(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(Network Layer，NWK)，应用层(Application Layer，APL)