基于Zigbee的智能控制系统

基于Zigbee的智能控制系统
摘要：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。

关键词：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)架构。

其中应用层包括应用支持子层
(application support sub-layer，aps)，应用架构(applicationframework，af)。

2.2.2 通信流程
一个基于zigbee协议的通信流程简图，如下图：
完成一次通信，大概的流程如下图，a设备的应用层提出要求，形成应用层的要求，然后到网络层形成了网络层的帧，然后到mac层加上mac层的格式然后到物理层，处理一下形成物理帧，然后收发机就发了。

当b收到了a的内容经过他的物理层去掉物理层的格式化的内容然后再到mac层进行分析，顺次到达b的应用层，经过了层层剥离最后获得了a的应有层的信息。

相同地，b设备也是以相同的流程给a设备信息，这样就实现了a设备和b设备的双向通信。

3 系统硬件实现
控制中心硬件框图是由硬件平台nxp lpc1769为核心，向外扩展而成。

同通用i/o连接的有：液晶屏128*64，4*4矩阵键盘，蜂鸣器报警通知模块；而通过两个rs232串口连接了一个实现语音电话及短信报警功能的gsm模块和协调器模块和一个协调器cc2430模块。

为了能实现语音电话功能，给gsm模块增加了音频输入的麦克风和实现输出的扬声器。

外加给整个模块加上了供电模块和以太网网口。

液晶屏和矩阵键盘配合使用为用户提供信息和功能选择；协调器给核心板传递终端节点采集的信息；蜂鸣器和gsm模块配合实现报警通知。

和控制中心通过rs232串口连接的协调器和其他三个终端节点没
有硬件上的直接连接，他们是通过无线星形网络通信的。

4 系统实现功能及性能分析
4.1 控制中心nxp lpc1769
实现功能：它是整个系统的大脑，系统上所有的部件都是由它控制。

外面的数据给主控制芯片发过来，当主控制芯片在接受到数据之后，作出判断，再发送后面的命令。

4.2 zigbee节点cc2430模块
实现功能：它是这个系统无线通信的基础，整个系统的数据传输都是在它的基础上完成的，他承担着发送和接收所有的数据。

4.3 门禁读卡器及电控锁
实现功能：门禁读卡器是用来识别id卡号的设备，当用户进门时需持卡在读卡器前进行读卡，读卡器读取信息后，将信息送到控制中心，主机首先判断该该信息是否合法，如合法则发出开门指令（即向电控锁发送接通信号，使门打开；不合法则不发送开门指令。

电控锁的功能就是控制门的开关，家里的安防全靠它，当卡号完全正确时，主控制板将给它一个信号，锁就会自动打开。

当用户在室内时，只需要扭动锁体上的手动开关，锁就也会自动打开。

当我们关上门时，锁体上的一对磁铁就会工作促使电锁将门锁上。

4.4 温湿度传感器dht11
实现功能：我们使用的温湿度传感器是dht11。

它能够测量出室内外的温湿度，当用户想要出行时，可以随时观看一下户外的温湿度，提前做好准备工作。

在室内时，也可以根据室内温度，来选择我们
的取暖或降温方式。

4.5 mq-2传感器
实现功能：mq-2是用来实现检测厨房液化气或天然气的浓度。

有时候由于用户的粗心导致煤气的泄露，这个时候当这些气体浓度超过某一个预设浓度值之后，mq-2就会检测到，从而发出警报声而且向用户发出短信通知（用户在户外），使用户能够急时补救。

4.6 人体红外传感器
实现功能：该传感器能够检测到人体辐射出的红外线。

当有人接近门时，它就会提醒用户有客人到访，用户就会去给客人开门。

这样就会省去客人按门铃或是直接敲门。

当我们将它装置在窗户时，它就另有别用了，他会检测到那些从窗户闯进来的不速之客，提醒用户注意保护生命财产安全。

4.7 直流减速电机
实现功能：电机的功能很简单，它的真反转来拉动窗帘是打开还是关闭。

4.8 液晶屏
实现功能：它能够将我们所有需要的信息显示出来，能够显示出温湿度。

它还显示了菜单选择系统，让我们能够按照菜单所提示的内容来选择我们所需要的操作步骤。

从而使整个系统能够畅通无阻的运行下去。

4.9 gsm模块
实现功能：它能够实现打接电话和短信发送。

当我们在户外时，家
里有液化气泄漏或有人从窗户闯入，他都会以电话或是短信的方式来通知用户提早防范。

5 总结
智能无线系统的主要功能包括通信，设备自动控制，安全防范等方面。

采用的器件前提都是以低成本低功耗，稳定性好的特性。

智能无线系统的主要功能包括通信，设备自动控制，安全防范等方面。

采用的器件前提都是以低成本低功耗，稳定性好的特性。

参考文献：
[1]lpcxpresso.lpc1769.schematic[1].2010.
[2]lpc1769/68/67/65/64 product data sheet.2010.
[3]lpcxpresso user guide.2011.
[4]es_lpc1769 errta sheet.2011.
[5]周涛，胡彧.基于无线传感器网络的智能家居安防系统
[j] .2010.
[6]高明明，孙庆巍，林森.无线智能家居控制系统的设计[j].2009.
[7]朱同.基于zigbee的智能家居系统设计.[j].2008.
基金项目：
西安邮电学院中青年科研基金资助项目(zl2009-12)。

作者简介:
韩刚(1990-),男，陕西宝鸡人，西北工业大学电子信息学院本科生,主要从事多媒体与系统设计方面的研究。