基于Zigbee的自动校准电子时钟集群控制系统

韩晓英 陈峰 朱静

(1．广州大学 实验中心，广州 510006;2．暨南大学 信息技术研究所，广州 510085)

随着社会的高速发展，时钟成为人们日常工作和生活离不开的工具。手机普及后，佩戴手表的人越来越少，人们更习惯借助于手机查看时间，但是有些场合则不便使用查看时间，如在学校上课的教室、各种大型考试的考场、工厂的车间等，上课时教师或学生使用手机查看时间会严重影响教学效果和学习效果［1－2］。同时，信息技术的发展也使手机、手表成为考试作弊的工具，因此考试时不允许携带手机，与考生需要把握考试时间形成了一个难以协调的矛盾，故下课提醒和考生命令提醒的统一性和规范化，成了学校和考试组织单位的亟待解决的问题。

传统的电子时钟只能单纯的显示时间，各个时钟之间无法实现彼此的同步时间校准，对人们的工作生活造成了一定的影响［3－5］。随着电子时钟系统的发展，需功能的增加，研发一种自动校准电子时钟集群控制系统，实现电子时钟集群自动校准，同步播报文本信息和音频信息，方便各种通知及紧急播报，是解决学校、考场等区域性场所的现实问题迫切需求。

1 系统整体结构

系统整体结构如图1所示。由上位机和下位机两部分组成，上位机以接入了Zigbee模块的PC机为主体，主要包括STM32单片机、Zigbee无线模块和联网工控机。下位机包括STM32单片机、Zigbee模块、LED点阵显示屏、驱动电路和振铃器。上位机程序利用Internet从网络获取时钟信息并经Zigbee无线网络将之传送至各下位机，下位机上的Zigbee模块将接收到的信息通过LED点阵显示屏更新，从而实现一发多收。

2 无线组网系统硬件构成

2.1 3G网络自动校时

自动校时利用工控机直接联网，使用网络时间服务协议NTP(network time protocol)来进行计算机内部时钟的自动同步校准，实现基准时间时钟功能。设置如图2所示。

2.2 Zigbee无线组网系统

无线传感系统硬件设计主要涉及无线传感层的Zigbee采集单元，该单元采用泰鼎克 (DTK)公司DRF1605模块进行组网，采用STM32VC103xx作为核心处理单元。

图1 系统整体架构图

Zigbee网络具有三种网络形态节点:Coordinator(中心协调器)，Router(路由器)，End Device(终端节点)［6］。Coordinator:全网络唯一，用以创建ZigBee网络，并给新加入的网络节点分配网络地址。Coordinator通常定义为不能掉电的设备，没有低功耗状。Router:负责转发资料包，寻找最适合的路由路径，也可以收发数据，当成一个数据节点，还能保持网络，为后加入的节点分配地址。Router通常定义为具有电源供电的设备，不能进入低功耗状态。End Device:通常定义为电池供电的低功耗设备，通常只周期性接收数据，不发送数据。

本文中主要功能是无线数据传输，最终组成连接MESH网 (即:网状网)。每个节点既收发数据，也能担任其它节点的路由器，所有的数据传输路由是自动计算的，采用一个Coordinator和多个Router共同组网的方式，结点分布如图3所示。

图2 电子时钟基准时间校准

3 系统软件构成

3.1 上位机控制模块实现

上位机硬件采用现成ARM系列单片机开发设备，需要进行Uboot的移植，Linux操作系统移植，文件系统移植，字符设备驱动，网络设备驱动，QT用户操作界面开发等功能［7－9］。针对多媒体课室需求，分别开发上课系统和考试系统。上课系统根据实际教学安排，定时统一响铃和液晶屏显示提醒，并根据需要发布一些课间、课后通知、注意事项等。考试系统可以根据不同类型考试设置考试铃声和播报考试命令。主要包括以下模块:

图3 Zigbee结点分布图

时间提取模块。利用Format从操作系统中获取日期和时间，再将其保存起来，最后包装好传递给通信模块。

字模的提取模块:通过行和列从图片中获取像素点，再归一化，使其成为单色像素点，最后用新数组存放起来

定时计划配置模块:通过计划配置模块可以对特定时间的文字内容进行配置。利用数据库进行数据提取与存储。

网络联通状态显示模块:上位机在与下位机成功建立网络连接，时间同步后，文字信息广播同步后，指示灯皆相应产生变化，以告知用户。

用户操作功能模块:应用功能封装成一键按钮，用户在前端直接操作按钮，输入文字皆可，后台自动实现相应功能。

发送校准时间:利用工控机联网，使用网络时间服务协议来进行计算机内部时钟的自动同步校准，实现基准时间约定。

通过科学化、合理化、人性化设计人机友好界面，实现学校、工厂等全单位无线通信电子时钟系统管理，界面设置如图4所示。

图4 电子时钟控制系统界面

3.2 下位机模块设计与实现

下位机由STM32控制器、LED点阵屏、ZigBee无线通信、按键、音频输出、蜂鸣器等模块组成。控制软件采用C#高级程序设计语言进行开发，主要实现的功能包括从网络获取时间并生成相应的字模点阵，经算法处理后通过串口发送给接入PC机的Zigbee模块，并最终由Zigbee模块发送给各下位机。下位机分为LED点阵屏的驱动函数、基于TCPIP协议的网络层函数、应用层函数、ZigBee通信函数、按键和蜂鸣器驱动函数、音频驱动函数共六个函数实现系统功能。电子时钟集群控制系统实验结果如图5所示。

图5 电子时钟集群控制系统

4 结语

应用Zigbee无线传感器网络技术开发了自动校时电子时钟集群控制系统，实现了区域内多个时钟的集中统一监测控制，为区域内多个时钟的统一维护和管理提供软硬件技术支持。实验结果表明该系统可以实现无线群内多个电子时钟与网络时间同步，并能根据需求实现联网时钟提醒、发布紧急通知、统一发布信息等，对多媒体教室、正规考试考场非常实用。

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