基于ZigBee的智能楼宇远程控制设计

卫珊 徐文超 吴宏昊 史安荣



基于ZigBee的智能楼宇远程控制设计

卫珊 徐文超 吴宏昊 史安荣

天津商业大学信息工程学院，天津 300134

将 ZigBee 技术应用于智能楼宇系统之中，通过ZigBee无线网络、Wi-Fi网络和手机远程控制端，实时远距离管理设备，为用户提供安全舒适、高效便利的楼宇环境。系统采用STC89C52为主控芯片，设计并实现了协调器和终端节点的硬件部分，通过温湿度、光照、烟雾等传感器模块进行楼宇信息采集及环境状态监测，并将数据显示在客户端，采用继电器控制直流无刷电机使温度保持在设定范围内；若烟雾数据异常，继电器控制启动报警装置。用户可随时随地在手机远程控制端或PC机客户端上调节灯光、温度的状态。经测试，本系统实现了对温湿度、光、烟雾等的远程信息采集和控制，系统的各个模块工作稳定，抗干扰能力强，终端节点功耗低，达到了预期的目标。

ZigBee；STC89C52；CC2530；无线传感网络；物联网

引言

随着建筑技术和信息技术的迅猛发展，新型的建筑类型——智能楼宇产生。智能楼宇以建筑为平台，将通信、自动控制、计算机网络以及在此基础上的系统集成和服务管理进行优化组合，形成安全、高效、舒适、便利、节能的建筑环境。智能楼宇系统由很多传感器组建而成。与有线传感器网络相比，无线传感网络具有部署方便、灵活性高、维护成本低等优势，特别是近几年新兴的ZigBee技术，以距离短、速率低、复杂度低、功耗低、网络容量大及成本低的特点得到广泛应用[1]，为楼宇远程控制系统的设计提供了有力支持。本文设计了基于ZigBee技术的智能楼宇远程控制系统系统，可应用于居住小区、办公楼、商场等地方。

1 系统设计

1.1 设计要求

（1）楼宇内部温度、湿度可控，始终维持在设定范围。

（2）在手机/PC终端可实时查询楼宇内部设备工作状态或远程启停控制设备。

（3）具有防火报警功能，通过设置烟雾传感器，当信号值高于阈值时启动楼宇内部报警器发出警报。

1.2 总体设计

本系统运用物联网由下到上的感知层、传输层和应用层的典型应用体系架构，采用星型拓扑结构，基于ZigBee技术构建了ZigBee无线传感器网络，主要包括ZigBee协调器、ZigBee终端节点、系统控制核心、手机远程控制器。终端采集节点实时采集整个楼宇内环境信息，包括温湿度、光照和烟雾浓度等，然后通过ZigBee无线网络传给MCU，由MCU分析判断是否这些指标存在异常，以便及时做出相应处理。如果存在异常，就会自动向用户控制终端发送报警信号，报警器自动报警。用户可以通过ZigBee无线传感器网络直接在PC机上对楼宇环境进行实时监测和控制，也可以通过ZigBee无线传感器网络、Wi-Fi网络在手机远程控制器上实时查看和控制楼宇内设备状态。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2 硬件电路设计

采用STC89C52作为系统控制核心，CC2530作为组建ZigBee无线传感网络的核心模块。ZigBee协调器通过CC2530射频模块实现与终端节点的无线通信，并通过Wi-Fi模块实现与外部网络的通信。将ZigBee终端节点分为终端采集节点和终端控制节点两类，分别设置传感器模块和终端控制模块，如图2所示。

图2 硬件电路设计框图

2.1 传感器模块

传感器模块主要包括烟雾传感器、温湿度传感器、光照传感器、A/D转换芯片ADC0832以及电源供电电路。

2.1.1烟雾传感器

采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信号，将检测的烟雾浓度转换为微弱的电压信号[2]，再经ADC0832将模拟信号转换为数字信号，最后送入单片机与阈值浓度进行比较。若高于阈值，单片机就会发送报警命令送入蜂鸣器，蜂鸣器发出响声进行报警。

2.1.2 温湿度传感器

采用DHT11作为温湿度传感器。DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并且与一个高性能8位单片机相连接[3]，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。它有四个引脚，DATA引脚采用单总线，采集到的数据通过串行方式传送到外设上。因此设计电路时不需要外加其他元器件，DHT11就可以串行通信方式将采集到的温湿度信息传送到ZigBee协调器。

2.1.3 光照传感器

采用一个光敏电阻和一个电压比较器LM393。光线充足时，光敏电阻阻值很小，输出端为低电平；光线变暗时，光敏电阻阻值很大，输出端为高电平。采集到的光照信息经ZigBee协调器传到PC机或通过系统控制中心最终传到手机控制终端。

2.2 终端控制模块

负责接收ZigBee协调器传输的指令并据此执行相应的动作。它主要包括继电器、直流无刷电机、报警器三部分。报警器采用一个蜂鸣器。

2.2.1 继电器

采用一个电磁继电器，其主要作用是当单片机输出动作信号时衔铁片和触头相接触电路接通，无动作信号时电路断开，达到电路开关目的。电磁继电器包括下列组件：感应线圈、铁芯、衔铁片、触头等。当感应线圈两端加上电压时，电流流过并在其附近产生磁场，衔铁片受磁力吸引向下，带动衔铁片的动触头与静触头相接合；当感应线圈断电时，其磁性消失致使衔铁片的磁力消失，衔铁片在弹簧的反作用力返回到原来位置，衔铁片动触头与静触头自然分开[4]。

2.2.2 直流无刷电机

直流无刷电机系统由直流电源、驱动电路、控制电路、电动机本体和位置传感器几部分构成，由单片机STC89C52通过PWM脉宽调制控制直流电机的速度。其控制原理是先由温度传感器模块检测环境温度，然后由单片机对室温进行判断，当室温低于设定温度的下限时，电机不工作，表明室内无需降温；当室温高于设定温度的上限时，驱动电机则以最快速度运行；当室温介于两者之间时，电机的转速逐渐增加然后维持恒定转速；当室温降到下限值时，电机停止运行，表明此次降温过程完成。

2.3 ZigBee协调器

协调器负责ZigBee无线传感器网络的创建和管理以及无线数据传输。该模块采用TI公司的CC2530为核心控制芯片，通过CC2530射频模块与终端设备节点进行无线通信，通过RS232串口电路与系统控制核心进行通信。

CC2530是针对IEEE 802.15.4、ZigBee、推出的片上系统（SoC）解决方案，它融合了增强型8051MCU和RF收发器，具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性，具有5通道DMA控制器、4个定时器和一个睡眠定时器、8通道12位ADC、AES协处理器、2个支持多种串行通信的USART、21个通用I/O引脚，采用2～3.6 V电池供电，提供了5种电源模式，具有低功耗和高性能[5]。

2.4 STC89C52

系统控制中心MCU采用ATMEL公司的STC89C52。片内具有6个中断源、全双工串行UART通道、4K字节的在线编程Flash存储器，擦写周期1000次，具有掉电状态下的中断恢复功能，对设计开发非常实用[6]。

3 软件设计

采用软件开发工具IAR Embedded Workbench for 8051及TI公司的Z-Stack 协议栈，完成应用程序的编写和调试。软件设计主要包括ZigBee协调器、终端节点、手机客户端三部分。

3.1 ZigBee协调器

协调器负责ZigBee无线传感网络的创建、维护以及接收传输数据。当终端节点加入网络后，由协调器对给加入网络的设备分配一个唯一的网络地址。该终端节点会接收MCU发送的控制命令，并依据此命令采集、上传相应的数据。ZigBee协调器的程序流程图如图3所示。

3.2 终端节点

终端节点的功能是加入ZigBee无线传感网络、实时采集并上报节点信息、接收控制命令并执行。本次设计主要从节点接收控制命令方面进行设计，利用串口控制协议对无线通信进行控制，完成数据传递、参数访问等。

（1）控制命令的帧格式

控制命令从远程控制端通过协调器到达终端节点，需要统一的数据帧格式，实现正确的数据传递和控制命令解析。本系统采用32位帧结构，通信帧格式

图3 ZigBee协调器流程图

如表1所示。命令头用于表示不同的命令类型，命令类型如表2所示。

表1 通信帧格式

字节1字节2～4字节4～12字节12～14字节14～30字节31字节32 帧头命令头物理地址网络地址数据缓冲区校验区帧尾

表2 命令类型

节点加入网络4A 4F 4E 报警器控制53 42 4A 温湿度控制53 4D 53 光照控制57 42 4C 烟雾53 43 4C

（2）对控制命令的无线传感网络接收

当终端节点接收到数据后，将该数据封装成一个消息，每个消息都有自己的消息ID，然后放入消息队列中[7]，再接收和处理新数据，过程如下：首先从消息队列中接收一个消息，然后根据消息ID对消息类型进行判断，如果是新消息，则进行根据数据帧的格式进行相应的数据处理。

3.3 手机客户端设计

采用Java语言搭建Android 4开发环境，首先是界面设计，包括IP输入、Port输入、连接按钮、接受信息文本框、输入框、发送按钮，然后为对应控件添加相应功能。

4 系统测试及结果分析

4.1 组网测试

ZigBee无线传感器网络是系统的基础。只有楼宇内部网络组网正常、数据传输正确，才能进一步测试系统其他功能。

组网程序的测试过程如下：

（1）下载组网程序

本次测试包括一个协调器和五个终端节点。将Coordinator.hex和End Device 1-5.hex分别下载到ZigBee协调器和终端节点。

（2）设备硬件连接

将协调器和终端节点的外围电路接好，将协调器通过串口RS-232与PC机相连，使用5 V适合电源给协调器供电，然后打开串口调试助手，确保终端节点的跳线设置为工作模式，分别打开电源开关。

（3）发送和接收数据

使用串口助手发送查询命令测试，给协调器发送一个命令头为54 43 4B的32位数据，如果协调器回送一个数据缓冲区的前两位为4F 4B的32位数据，则表示协调器开启且工作正常。终端节点上电后，会自动发送给协调器一个命令头为4A 4F 4E的32位数据，表示该终端节点成功加入ZigBee无线传感网络[7]。

4.2 系统整体测试

在系统整体测试中，将终端节点分别接上电源，协调器通过串口连接到PC机，也可经SPI与MCU连接，再经过Wi-Fi模块最终连接到Internet网。

依据各个节点的状态，对系统进行整体测试。测试过程如下。

（1）先给协调器上电，再打开上位机程序，由于使用的USB转串口，程序自动识别串口。此时协调器D3常亮，表明协调器工作正常。

（2）给各个终端节点上电，此时D1闪烁，终端节点加入ZigBee无线传感网络成功后，D3常亮。按下终端S1按键开始上传数据，如需停止上传再按一下S1按键。

（3）登录客户端，输入密码和服务器IP地址，通过权限认证并连接到ZigBee无线传感网络。

（4）开启无线路由器，手机打开Wi-Fi并连接好后，先点网络设置，输入PC机 IP 地址后点连接，手机显示连接成功后，会自动刷新数据。

（5）添加所需监测的楼宇设备，添加完毕后，设备列表内出现所有终端节点的设备名称。

（6）添加设备选择功能后，终端节点执行相应的动作。

（7）打开报警器，当测试气体浓度高于阈值600 ppm时，客户端出现报警提示信息。关闭报警器后，无提示信息。

（8）手机或PC机上设定温、湿度范围分别为18～25 ℃、30%～60%，实际测试中温、湿度均保持在该范围内。

通过以上测试，表明本设计实现了对温湿度、光照、烟雾等的远程信息采集和控制。系统的各个模块工作稳定、功耗低，实现了预期的目标。

5 结束语

本文设计的智能楼宇远程监控系统，用户可通过PC机客户端监控楼宇设备信息，也可通过移动控制终端远程控制。通过ZigBee无线传感网络传输，同时解决了有线传感器网络布线复杂和排查困难等问题；通过Wi-Fi解决了ZigBee无线传感网络传输距离局限性问题，将ZigBee无线传感网络和互联网连接在一起，实现了移动监控终端实时查询楼宇内部设备工作状态或远程启停控制设备。此外，楼宇内部温、湿度智能自动调整，通过监测异常数据并发送到终端用户手机实现防火报警功能。经测试，系统各模块工作稳定，方便灵活，可广泛应用，具有良好的市场价值。

[1]付玉志. 基于ZigBee技术的智慧农业实时采集和远程控制系统[D]. 杭州：浙江大学，2015.

[2]张群强，赵巧妮. 基于MQ-2型传感器火灾报警系统的设计[J]. 价值工程，2015，34（13）：96-98.

[3]王志宏，白翠珍. 基于DHT11的实验室多点温湿度报警系统设计[J]. 山西电子技术，2011（4）：45-46.

[4]李书婷，韩国富，吴小林，等. 基于STC89C52单片机的教室灯控制系统设计与实现[J]. 自动化与仪器仪表，2017（1）：52-54.

[5]TI.CC2530 Datasheet[Z]. http：//www.ti.com.cn/ prod uct/cn/cc2530.

[6]程文红. 基于STC89C52天然气气体泄露报警器的设计[D]. 大庆：东北石油大学，2014.

[7]朱佳鸽. 基于物联网的智能家居系统的设计与实现[D]. 西安：长安大学，2013.

Design of Remote Control of Intelligent Building Based on ZigBee

Wei Shan Xu Wenchao Wu Honghao Shi Anrong

School of Information Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134

In the paper, ZigBee technology is applied to the intelligent building system, through the ZigBee wireless network, Wi-Fi network and mobile phone remote control terminal to manage equipment in real time and remotely, the building environment which is safe and comfortable, efficient and convenient is provided to users. The STC89C52 as the main control chip is used in the building system, and the hardware parts of the coordinator and the terminal node can be designed and implemented. The data of building information and monitoring the environment state which is displayed on the client terminal are to be collected by sensor modules, such as temperature, humidity, light, and smog. In the system, a relay is used to control the brushless DC motor to keep the temperature within the set range and control starting alarm device if the smog data is abnormal. The user can adjust the state of light and temperature on mobile phone remote control terminal or PC client terminal at any time and place. In the test, the system has realized remote information collection and control of temperature, humidity, light and smog. It can achieve the desired goal that all modules of the system work stably with strong anti-interference ability and low power consumption of the terminal node.

ZigBee; STC89C52; CC2530; Wireless Sensor Network; Internet of Things

TU855

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