基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统

范 燕， 俞 洋， 李永义， 丁益星

(1.常州信息职业技术学院 电子与电气工程学院,江苏 常州 213164； 2. 江苏理工学院电气信息工程学院,江苏 常州 213164； 3.南京工业大学 交通学院，江苏 南京 210009)



·计算机技术应用·

基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统

范 燕1， 俞 洋2， 李永义3， 丁益星3

(1.常州信息职业技术学院 电子与电气工程学院,江苏 常州 213164； 2. 江苏理工学院电气信息工程学院,江苏 常州 213164； 3.南京工业大学 交通学院，江苏 南京 210009)

提出了一种将Internet、移动通信、WSN、传感器网络以及自动控制等多种技术融为一体的远程监控方案；给出了ZigBee/IP变换接口设计方案，包括PC机实现方案和以太网卡实现方案，实现了通过Internet进行远程监控的功能；给出了ZigBee/GSM变换接口设计方案，包括PC机实现方案和单片机实现方案，实现了通过移动电话进行远程监控的功能；开发了基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统控制台软件和Web服务器软件，构建了智能家居监控系统基础平台。通过系统联调证明，终端结点与协调器、协调器与USB、控制台和Internet、协调器与以太网模块、协调器与GSM模块之间的数据传输稳定，能够通过Internet或移动终端对监控点进行监视，在监控点发生异常的情况下能够通过GSM网络给关系人发送短消息和打电话、报警。

无线传感器网络； CC2430； IAR； C8051F320； KEIL C； MSP430； CP2200； C8051F

0 引 言

随着Internet 和移动通信技术的快速发展以及通信业务多样化需求的增加，人们提出了通信无处不在的概念，从第4 代移动通信(4G)和网络的观点出发，这种概念也被称为泛网(Ubiquitous Network)[1]。近2年来，国内外众多学者及研究机关围绕泛网进行了许多相关研究，教育部于2005 年12 月在北京邮电大学建立了泛网无线通信教育部重点实验室，日本于2006 年推出了u-Japan(实现Ubiquitous Network 社会)计划[2]。在泛网领域中，无线传感器网络(WSN)是主要的技术之一[4]。另一方面，从涵盖知识面的角度看，WSN 包含了射频技术、通信协议、传感器技术、嵌入式技术、单片机技术以及电路制作工艺等综合知识。

目前，ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB：Ultra Wide Band)等短距离通信规范相继问世，采用这些规范构成的WSN 系统也很多。市场上应运而生了不少汽车报警设备及智能家居产品[4-12]。但是，从应用的便利性、产品价格以及技术手段的先进性来看，许多产品还存在着一些缺陷。例如，国内目前智能家居主要是采用有线方式，在使用和安装上局限性较大；医院的监控系统大都采用有线方式，发生紧急情况时，需要病人按键通知医生，这样，对于心脏病突发等紧急情况，就会延误时机。基于这样的情况，本文提出了一种将Internet、移动通信、WSN、传感器网络以及自动控制等多种技术融为一体的远程监控设计方案，并将该方案用于智能空调远程控制系统。

1 系统设计方案

基于ZigBee WSN的远程监控系统方案，其结构如图1所示。图中，FFD(Full Function Device)表示能够和其他所有的结点进行通信的全功能结点。因为FFD担负着网络建立、维护以及对其他通信结点进行协调等任务，是对个域网络(Private Area Network，PAN)进行管理的信号汇聚结点，所以称为协调器。RFD(Reduced Function Device)表示带有传感器的终端结点，或者带有传感器和无线控制器的终端结点。室内的空调、照明设备、电视、门锁以及气体、温度、湿度等传感器都通过RFD与FFD进行无线通信[13]。FFD利用ZigBee/IP转换接口设备，通过ADSL等宽带网络接入Internet，家庭主人可以在远离住宅的地方通过Internet来检测家里发生的情况，并可以通过Internet对家里的空调、排风设备、抽湿设备等进行控制[14]。另一方面，FFD中带有与移动网络通信的无线空中接口模块，FFD可以将RFD监测得到的必要信息通过公共移动网络即时地发送到家庭主人的手机上，还可将门窗被撬等紧急信息同时发送给110。家庭主人也可以使用手机对空调、排风设备、抽湿设备等进行远程控制。

图1 远程监控系统结构

2 系统各模块硬件与软件设计

按照功能可以把设计内容分为无线传感器网络、USB接口、ZigBee/IP变换及ZigBee/GSM接口以及设备监控等4个部分[3-5]。无线传感器网络部分实现终端节点、路由器、协调器之间的无线通信及信号检测；ZigBee/IP变换部分实现zigBee数据与IP数据的互相转换；ZigBee/GSM接口部分实现手机和传感器网络的通信；设备监控部分对检测对象进行监视，并根据来自用户的指令控制设备的工作状态。下面就分别从硬件设计和软件设计两个方面简要介绍设计中采用的主要技术。

2.1 无线传感器网络

无线通信模块采用射频芯片CC2430。 CC2430芯片以强大的集成开发环境为支持，内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR环境。设计制作了WSN的硬件，编写了数据传输的通信程序，实现了ZigBee终端与协调器之间的无线通信以及协调器与USB接口的有线通信[10]。

2.1.1 结点的硬件设计

本设计采用TI公司的CC2430射频芯片，ZigBee结点由CC2430模块、电源模块及传感器模块构成。结点的原理图如图2所示。

2.1.2 通信软件设计

传感器网络需要把终端节点采集的温度值发送到协调器，协调器将各个终端节点采集的数据由串口输出到USB接口[7]。通信软件设计采用了TI协议栈和嵌入式集成设计工具IAR。终端向协调器发送数据以及协调器向USB发送数据的主要源代码较长在此省略。

2.2 USB接口设计

USB接口模块，实现ZigBee网络中协调器(CC2430/CC2431)与PC机的正常通信、PC控制台与Internet 之间的数据收发的协调以及突发事件的控制处理。

图2 结点原理图

2.2.1 USB模块的硬件设计

USB的控制芯片选用C8051F320单片机，它的主要作用是实现数据的中间转发。单片机与PC机连接通过自带的USB收发器实现，与ZigBee协调器通信采用RS232串口方式。USB模块的原理图如图3所示。

图3 USB模块的原理图

2.2.2 软件设计

软件设计包括单片机固件程序、PC机界面应用程序和驱动程序的编写[6]。固件程序采用USB 2.0规范，选用KEIL C编程，并采用JTAG口调试工具进行调试和程序下载；PC机端的界面应用程序采用Visual C++ 6编程。图4给出了主程序流程图。中断服务子程序及PC机应用程序的流程图此处略。

2.3 ZigBee/IP变换及ZigBee/GSM接口设计

ZigBee/IP变换及ZigBee/GSM 接口模块，主要由Internet网络监控系统和GSM监测系统组成[8-9]。Internet网络监控系统运用ASP动态网页编程技术编写网页，将节点数据在Internet网络上实时显示，并且在数据显示页面中设置了控制按钮，方便用户远程通过Internet对节点的状态进行控制；GSM监测系统监测节点状态，采用PC机模式或单片机模式控制GSM模块发送短消息或者拨打电话，实现报警功能。

图4 主程序流程

2.3.1 硬件设计

GSM模块选用西门子公司的MC39i芯片，单片机控制模块采用MSP430芯片，语音处理模块采用ISD公司的4002芯片。

2.3.2 软件设计

ZigBee/IP变换部分采用超文本标记语言HTML和ASP编成环境实现。设计ZigBee/GSM软件时，首先对ZigBee数据格式、AT命令以及短消息的PDU编码进行分析，在此基础上设计了发送短消息和拨打电话的应用程序。单片机控制GSM拨打电话的源代码如下面程序清单所示。单片机控制GSM发送短消息程序清单略。

void main(void)

{

unsigned char i;

unsigned char KeyBuff;

SystemInit();//系统配置

SysClkInit();//配置系统时钟

PortInit();//端口配置

Uart0Init();//串口初始化

//发送一个AT 指令

Uart0SendString("AT",2);

Uart0Send(end);

DelayMs(1000);//延迟100 mS

while(1){

if(KEY1==0) {

DelayMs(10) ;//延迟100 mS

if(KEY1==0) {

Uart0SendString("ATD"13815036139";",17);//设置长度

Uart0Send(end);

DelayMs(10);//延迟100 mS

while(KEY1==0);

}

}

}

}

2.4 设备监控

设备监控包括家庭网关和智能终端两部分。

2.4.1 硬件设计

家庭网关由Zigbee模块、MSP430单片机系统、GSM模块、以太网模块和触摸屏模块组成；智能终端由Zigbee模块、串口桥模块和红外遥控模块组成[15]。本文只对家庭网关的硬件进行说明，智能终端及桥接模块等其他硬件略。

家庭网关主要由ZigBee FFD节点和各种通信模块组成，基本结构如图5所示。

图5 家庭网关的系统结构

以太网模块的控制器采用是Silabs公司的CP2200芯片，MCU选择Silabs公司公司的C8051F系列单片机。以太网模块的原理图如图6所示。

图6 以太网模块的原理图

2.4.2 软件设计

以太网模块、串口桥模块及红外发射模块的软件流程分别如图7～9所示。

3 家庭网关和智能终端的实物图

将上述4个子模块的硬件组合在一起构成的家庭网关和智能终端的硬件构成分别如图10、11所示。

4 结 语

通过系统联调证明，终端结点与协调器、协调器与USB、控制台和Internet、协调器与以太网模块、协调器与GSM模块之间的数据传输稳定，能够通过Internet或移动终端对监控点进行监视，在监控点发生异常的情况下能够通过GSM网络给关系人发送短消息和打电话、给110或119报警。并且能够通过Internet或移动终端给远程控制空调控制器发送控制指令，控制空调的工作状态，实现了远程监控的基本目的，为泛网研究打下了一定基础。系统面向市场、实用性强，具有很好的应用前景。

图7 以太网模块的程序流程

图8 串口桥模块的程序流程

图9 红外发射模块的程序流程

图10 家庭网关实物图

图11 智能终端实物图

[1] 正村達郎. 移动体通信[M]. 东京:丸善出版社, 2006.

[2] Hiroshi SAITO, Masahiro UMEHIRA, and Masahiro MORIKURA.

Consideration of Global Ubiquitous Network Infrastructure[J].IEICE B, 2005, J88-B(11): 2128-2136.

[3] 李 艳,葛年明,陈 杰. 基于ZigBee的多传感器物联网无线监测系统设计[J]. 自动化技术与应用, 2015,34(1):47-51.

[4] 陈 莉.基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计[D].上海:上海交通大学，2008.

[5] 杨 柳. 基于ZigBee的无线传感器环境监测网络设计[D]. 上海:上海交通大学，2008.

[6] 李志申. 基于ZigBee无线传感器网络节点的软件设计[D]. 天津：河北工业大学，2010．

[7] 兰 羽，白 洁．基于MAX6675的多路测温系统设计[J]．国外电子测量技术,2013,32(8):74-76．

[8] 张 猛,房俊龙,韩 雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报,2013,29(S1):171-176．

[9] 王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012.

[10] 李文促,段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京:北京航空航空大学出版社,2009.

[11] 覃 朗.基于WindowsCE 的智能家居终端的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2009.

[12] 陈钰莹，付 蔚，刘谋黎. 基于WSN的智能家居系统方案设计[J]. 物联网技术，2012(10):57-59, 63.

[13] 傅民仓，冯立杰，李文波.短距离无线网络通信技术及其应用[J].现代电子技术，2006(11):15-17, 20.

[14] 周怡頲，凌志浩，吴勤勤. ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J]. 自动化仪表，2005(6):5-9.

[15] 吴光荣，全剑敏，章剑雄. 基于ZigBee技术的空调控制系统[J]. 机电工程，2009(7):11-13.

Research on Remote Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

FANYan1，YUYang2，LIYong-yi3，DINGYi-xing3

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164, China; 2. College of Electric Information Engineering, Jiangsu Institute of Technology, Changzhou 213164, China; 3. College of Transportation Science and Engineering,Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

Based on the Internet, mobile communication, WSN, sensor network and automatic control, a kind of remote monitoring scheme is presented. The design scheme of ZigBee/IP transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and Ethernet card. And the function of remote monitoring by Internet is achieved. The design scheme of ZigBee/GSM transform interface is given, it includes implementation schemes for PC and MCU. And the function of remote monitoring is achieved by the mobile phone Internet. Based on ZigBee wireless sensor network, console software and web server software of the remote monitoring system are developed. And the basic platform of monitoring system for the smart home is constructed. The stability of data transmission is proved by the system debugging, between terminal nodes and the coordinator, coordinator and USB, console and Internet, coordination and the Ethernet module, coordinator and GSM module. The monitoring can be realized by the Internet or mobile terminal. When an abnormality is happened, the system can inform the people by the GSM network through sending short messages, calling, or alarming.

wireless sensor network; CC2430; IAR; C8051F320; KEIL C; MSP430; CP2200; C8051F

2015-05-10

国家自然科学基金青年项目(51278245);江苏省高校自然科学基金面上项目(14KJB510010);常州市基础研究计划(CJ20140058)

范 燕(1981-)，女，江苏如皋人，讲师、工程师，主要研究方向：电子技术。E-mail:136029790@qq.com

TN 919.72

A

1006-7167(2016)01-0080-05