基于Zigbee技術(shù)的智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_陳海松.pdf_圖文

1、 電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用Electronics Design & Application10.3969/j.issn.1000-0755.2013.08.016基于Zigbee技術(shù)的智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳海松(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心摘要:隨著生活水平的提高及科技進(jìn)步,智能控制得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有教室的燈光、窗簾、風(fēng)扇等大都是采用手動(dòng)控制或采用遙控器通過無線射頻信號(hào)進(jìn)行控制。文章將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用到智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,給出了智能教室設(shè)備控制無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體方案和各部分軟硬件的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)或平板電腦以無線Wifi的形式發(fā)送控制信號(hào)至無線路由器,控

2、制信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線到以太網(wǎng)模塊后發(fā)送至Zigbee模塊,Zigbee模塊接收控制信號(hào)后實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee設(shè)備的控制。關(guān)鍵詞:Zigbee;設(shè)備控制;Wifi;控制信號(hào)Smart Classroom Equipment Control System Design Based on Zigbee TechnologyChen Haisong(Industrial Training Centre, Shenzhen PolytechnicAbstract: With the improvement of living standards and the progress of science and te

3、chnology, intelligent control has been more widely used. The existing classroom lighting, curtains, fans, etc. are controlled based on manual control or remote controller through RF signal. In this paper Zigbee wireless communication technology is applied in the design of the control system design o

4、f smart classroom equipment, the overall scheme and various hardware and software designs of the smart classroom equipment control wireless network system are given, and the transmission of the control signal to wireless router is implemented through mobile phone or tablet in Wifi form. The control

5、signal is sent to the Zigbee module through cable to the Ethernet module, and the Zigbee module realizes the control of Zigbee devices by receiving control signal.Key words: Zigbee; equipment control; Wifi; control signal0 引言隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用到無線智能控制。在已出現(xiàn)的各種短距離無線通信技術(shù)中,Zigbee憑借領(lǐng)先的技術(shù)和性能水平成為短距離無線通信技

6、術(shù)中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手1。本系統(tǒng)中利用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能教室設(shè)備的控制。同時(shí),現(xiàn)有的家庭、辦公室、教室等場(chǎng)所的Zigbee設(shè)備往往通過Zigbee遙控器來進(jìn)行控制。但是由于此類設(shè)備需要專門對(duì)應(yīng)Zigbee設(shè)備設(shè)置Zigbee遙控器,Zigbee 遙控器的傳輸距離有限,無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和遠(yuǎn)程控制,使用不便且成本高。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,基于Zigbee技術(shù)的智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用無線路由器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、Zigbee模塊完成對(duì)智能教室設(shè)備的控制。用戶通過手機(jī)或平板電腦以無線Wifi 的形式發(fā)送控制信號(hào)至無線路由器,控制信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線至以太網(wǎng)模塊后發(fā)送至Zigbee模塊,Zigbee模塊接收

7、控制信號(hào)后經(jīng)放大后通過天線以Zigbee信號(hào)的形式發(fā)送至Zigbee設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee設(shè)備的控制。1 智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)、通信、傳感與自動(dòng)控制等技術(shù),將與教室設(shè)備有關(guān)的各種子系 統(tǒng)通過綜合管理有機(jī)地結(jié)合一起,讓教室的環(huán)境更 有效、舒適和安全2。本系統(tǒng)由管理平臺(tái)、設(shè)備控 制子網(wǎng)、安防傳感子網(wǎng)構(gòu)成。管理平臺(tái)由手機(jī)或者 平板電腦構(gòu)成,設(shè)備控制子網(wǎng)包括教室的燈、窗簾、 空調(diào)、風(fēng)扇等受控設(shè)備,安防傳感子網(wǎng)由溫度傳感 器、人體感應(yīng)傳感器構(gòu)成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖如圖 1、2所示。圖1 智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)框圖圖2 控制中心硬件框圖 55 電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 Elect

8、ronics Design & Application 1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 溫度傳感器采用CC2530自帶的溫度傳感器;同時(shí)還系統(tǒng)采用Chipcon 公司的CC2530,通過Zigbee 無 可以通過手動(dòng)的方式控制窗簾的開啟和關(guān)閉。窗簾 線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以星狀連接方式組網(wǎng)。設(shè)備控制子網(wǎng) 控制系統(tǒng)由Zigbee 模塊和直流電機(jī)組成,用戶終端采用CC2530的單一I/O 口控制,通過P1.0、P1.1、發(fā)送窗簾的控制命令給路由器節(jié)點(diǎn),路由器和網(wǎng)關(guān) P1.2分別控制無線燈光、電動(dòng)窗簾、空調(diào)開關(guān),溫 完成握手后,CC2530接收到協(xié)調(diào)器的控制信號(hào),確 度傳感器采用CC2530片上集成的溫度傳感器

9、,安防 定自己是否被呼叫,如果被呼叫,則接收發(fā)送來的系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感技術(shù),報(bào)警按鍵連接在數(shù)據(jù),然后確定是電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是停止,在 P1.3,設(shè)計(jì)的框圖如圖3所示。接收數(shù)據(jù)信息的同時(shí),與自身存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作對(duì)比, 確定需要的脈沖數(shù),從而控制窗簾的開關(guān)程度。窗簾控制的界面如圖5所示。 圖3 教室設(shè)備控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖1.1.1 無線燈控實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用可控硅相控調(diào)光的方法實(shí)現(xiàn)燈光的 無線控制,通過控制可控硅的導(dǎo)通角,將電網(wǎng)輸入 的正弦波電壓斬掉一部分,以降低輸出電壓的平均 值,達(dá)到控制燈具供電電壓,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光,此方 法精度高、使用方便、參數(shù)可設(shè)、靈活3。采用用戶終端發(fā)送開啟、關(guān)閉、調(diào)光、預(yù)

10、約開啟、關(guān)閉和 調(diào)光的控制信號(hào)給路由節(jié)點(diǎn),路由節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù) 后,通過與WIFI 轉(zhuǎn)Zigbee 的網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成握手后, 輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅,控制可控硅相 控調(diào)光和控制燈光的開啟和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)教室燈光的 智能控制,同時(shí)通過鎖存器將上一次的數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 以便與下一次數(shù)據(jù)作比較,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮暗的 調(diào)節(jié)。燈光調(diào)節(jié)的界面如圖4所示。 (a 手動(dòng)控制模式 (b 自動(dòng)控制模式 圖4 無線燈光調(diào)節(jié)的界面1.1.2 電動(dòng)窗簾的實(shí)現(xiàn)電功窗簾控制采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。通過對(duì)環(huán)境的光照強(qiáng)度、濕度的變化以及無線 控制來對(duì)智能窗簾網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行控制,光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí),窗簾關(guān)起;濕度低時(shí),窗簾關(guān)起,

11、反之 光照強(qiáng)度弱時(shí),窗簾開啟;濕度高時(shí),窗簾開啟,圖5 電動(dòng)窗簾控制的界面1.1.3 安防本系統(tǒng)中的安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是教室設(shè)備及儀器的防盜功能。當(dāng)下班時(shí)將安防設(shè)備打開,如有人闖入,則通過熱釋電傳感器感應(yīng)到人體后,發(fā)送報(bào)警信息到網(wǎng)關(guān)設(shè)備,網(wǎng)關(guān)通過路由器節(jié)點(diǎn)將報(bào)警信息發(fā)送給用戶終端,用戶終端通過攝像頭可以查看教室的狀況,如果只是誤報(bào)或沒有真正的入侵者,通過用戶終端可以將安防設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行重置,如果是有真正的入侵者,第一時(shí)間通知學(xué)校的保衛(wèi)部門,及時(shí)對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行處理。防盜的傳感器主要采用熱釋電紅外探測(cè)器,只要有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi),人體的紅外輻射就會(huì)被探測(cè)出來,主要負(fù)責(zé)對(duì)教室中敏感位置的異常情況進(jìn)行探測(cè)。

12、當(dāng)探測(cè)到移動(dòng)的人體時(shí),就輸出報(bào)警信號(hào)。1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)用戶通過手機(jī)或平板電腦以Wifi的形式發(fā)送控制信號(hào)至無線路由器,控制信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線至以太網(wǎng)模塊后,由協(xié)調(diào)器接收控制板的控制信息,轉(zhuǎn)化為2.4GHz信號(hào)傳輸給路由節(jié)點(diǎn)或直接到達(dá)設(shè)備開關(guān)終端節(jié)點(diǎn),先發(fā)送地址碼,所有子網(wǎng)均接收,與自身編碼作比較,相等則允許接受下次信息,不相等則不接受;再由協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)碼,子網(wǎng)中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù),完成握手,達(dá)到對(duì)子網(wǎng)的控制4。子網(wǎng)結(jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)譯碼,實(shí)現(xiàn)其所指定的開關(guān)動(dòng)作。燈光、窗簾、空調(diào)等設(shè)備子網(wǎng)控制的軟件流程圖如圖6所示。圖6 設(shè)備子網(wǎng)控制的軟件流程圖(參見下頁 56 電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 Electron

13、ics Design & Application 圖6 設(shè)備子網(wǎng)控制的軟件流程圖在智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò),接收終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并 進(jìn)行顯示和控制。在建網(wǎng)的過程中,先初始化協(xié)調(diào) 器,協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)PAN ID 的標(biāo)識(shí)號(hào)碼,然后啟動(dòng) 網(wǎng)絡(luò),所有的設(shè)備接入?yún)f(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù) 時(shí),首先判斷是新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求還是設(shè)備節(jié) 點(diǎn)的控制請(qǐng)求,如果是新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求則分 配網(wǎng)絡(luò)地址并綁定節(jié)點(diǎn),如果是控制請(qǐng)求,則針對(duì) 不同的控制請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)處理完畢,協(xié)調(diào) 器返回等待請(qǐng)求監(jiān)聽狀態(tài)5。具體流程如圖7所示。 圖7 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)用

14、戶終端要管理和控制設(shè)備,首先要設(shè)置接入 模式,是采用遠(yuǎn)程連接還是本地局域網(wǎng)連接,本系 統(tǒng)采用本地局域網(wǎng)連接,連接好無線路由器、網(wǎng)關(guān) 設(shè)備、控制設(shè)備之后,用戶終端會(huì)自動(dòng)搜索網(wǎng)關(guān)設(shè) 備所對(duì)應(yīng)的IP 地址,然后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信6。連接后 就可以用用戶終端的軟件來控制設(shè)備子網(wǎng)中的無線 燈光、電動(dòng)窗簾、空調(diào)等,當(dāng)教室中有入侵者時(shí), 會(huì)發(fā)出報(bào)警,用戶終端收到信息之后,及時(shí)處理。 本系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表1 測(cè)試數(shù)據(jù) (參見右欄TechnologyJ International Forum on Computer Science Technology and Applications,2009(2: 29

15、表 1 測(cè)試數(shù)據(jù) 33. 3 結(jié)束語 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)或平板電腦對(duì)教室設(shè) 備進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)燈光、空調(diào)、窗簾的開啟和 關(guān)閉的功能，并實(shí)現(xiàn)教室的安防控制。本系統(tǒng)的 Zigbee 設(shè)備控制系統(tǒng)的控制距離可達(dá)到 200m，操控 方便，可擴(kuò)展達(dá)到手機(jī)控制教室、小區(qū)、家庭、辦 公室、商場(chǎng)、工業(yè)設(shè)備等 Zigbee 設(shè)備的目的，應(yīng)用 前景廣闊。 參考文獻(xiàn)： 1 Niu Dou, Yang Mei. 111e networking technology within Smart Home system-ZigBee 57 2 楊浩杰,韓秀玲.一種智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J. 微型電腦應(yīng)用,2011,27(2: 49-50,55. 3 李成大,張京,等.基于 ZigBee 無線通信技術(shù)的 智能家居系統(tǒng)J.電訊技術(shù)，2007(5:63-66. 4 高雨明.淺析 Zigbee 無線傳輸技術(shù)及其應(yīng)用J. 信