ZigBee无线窗控网络节点的远程监控系统

徐海涛，侯 叶，刘欣茹

(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)



ZigBee无线窗控网络节点的远程监控系统

徐海涛，侯 叶，刘欣茹

(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)

设计了一种ZigBee无线网络节点的监控系统，并通过无线移动网络实现远程监控。该系统采用CC2530微处理器，移植ZSTACK体系，在该体系基础上建立ZigBee网络的无线通信环节，成功运行在ZigBee网络节点上。在网络协调器上连接一个SIM900A模块，采用TTL电平转化的方式连接串口，实现ZigBee网络与远程服务器的通信传输。网络节点处分别设置两个端口，一个设置为输入，采集端口处状态，作为监视端口；另一个设置为输出，控制端口处状态，作为控制端口。阿里云服务器具备公网IP，可以作为本实验的远端服务器，在此以该服务器上的网络调试助手作为显示与控制界面，显示网络状态并远程控制网络节点。

CC2530；ZStack；远程监控；ZigBee

0 引言

从上个世纪开始，无线通信技术开始发展，相继出现短距离高速率的无线通信技术，如蓝牙、WiFi等，为弥补其能耗大、无法完成上电自组网等功能，ZigBee技术面世并走进人们的生活。ZigBee技术是一种低速率、低功耗的无线自组网，与蓝牙、WiFi一起称为三大无线通信技术[1]。

在大型交通设施，如机场、车站等大型公共场所排烟窗口往往由于位置较高，不便布线且人工费用、维护费用较高，无论采用人工方式或布线方式均不能有效经济地发挥窗口的最大化利益。此时，ZigBee技术完全可以满足此类环境的要求，一方面此类环境的信息量较低，且要求稳定性好，这正是ZigBee技术的特点；另一方面，每一个节点不管维护还是升级成本都很低，且省去人工费用与排线的麻烦。因此，窗控系统采用ZigBee技术是一个很合适的选择。

本文采用近程ZigBee无线网络+远程无线移动网络体系，同时完成远程界面对ZigBee无线网络的监控功能。ZigBee无线网络通信采用ZigBee2007-pro协议，在ZSTACK体系上，IAR8.10集成开发环境下完成软件开发，网络节点处需开辟输入端口以采集窗口状态和输出端口以控制窗口状态，并且节点在OSAL[2]中注册两个事件以完成采集状态的传输与控制指令的接受。网络协调器[3]作为ZigBee网络的大脑，设置该网络唯一标识符，允许网络节点的加入，汇集网络节点的信息，通过串口1采用TTL电平转化的方式连接SIM900A模块，将汇集的网络节点信息通过移动网络远程传输给远端的服务器，也可以通过远端服务器发送指令经由网络协调器传送到网络节点实现窗口控制。

1 系统整体设计

如图1所示为系统整体框图。系统可分为两大环节，一是通信环节，二是节点控制、采集环节。通信环节包括个人PC与服务器的TCP/IP通信[4]、协调器与服务器之间的GPRS通信，以及协调器与节点之间的ZigBee无线通信。控制环节在ZigBee网络节点处实现。

图1 系统框架

1.1 网络节点的设计

网络节点软件的编写主要分为三部分，包括网络加入与通信实现、窗口状态采集功能、窗口控制功能。微控制器为CC2530，在IAR8.10集成开发环境下，移植ZSTACK体系，在应用层注册报告事件，加入协调器所在网络，并完成通信功能。在此，规定节点加入网络后，需向网络协调器发送该节点的网络信息，发送数据格式为：sxxxxpyyyyizzzz。其中s表示该节点的节点类型，xxxx表示该节点的网络地址，p表示该节点处的父节点，yyyy表示父节点的网络地址，i表示该节点的物理地址，zzzz表示该节点物理地址的后四位。节点在加入网络后协调器会分给该节点一个唯一的16位二进制网络地址，在此转化为四位十六进制地址。在ZSTACK体系中，注册一个MY_REPORT_EVT事件，该事件用于触发sendReport()函数，该函数用于向协调器发送窗口状态。发送数据格式为：Device:sXXXXRL。XXXX节点代表四位网络地址，R、L分别用0、1代表两个端口处状态的开关。而zb_ReceiveDataIndication()函数用于接收协调器发送的窗口控制指令。接收到的数据格式与发送数据格式相同，当节点接收到数据时先判断网络地址，如果接收的网络地址与节点地址一致，则根据数据设置控制端输出，否则不对数据进行处理[5]。

窗口采集功能即设置CC2530的端口P0.6、P0.7为输入端，每隔5 s对两个端口进行一次数据采集，代表节点处窗口的状态。而窗口控制功能设置P0.4、P0.5为输出端，以高低电平作为输出控制继电器对窗口进行开关控制。

1.2 网络协调器的设计

网络协调器软件的编写主要分为两部分，包括网络建立与通信实现、SIM900A的远程通信控制。

协调器是ZigBee网络的大脑。负责网络的建立、节点的加入允许与分配网络地址、网络维护等，在此协调器还加入远程通信功能。ZSTACK体系的移植与网络节点一致，只需设置其为协调器，但是注意SENSOR_REPORT_CMD_ID的id值与网络要保持一致，否则会收不到数据。

SIM900A是一款高性能工业级 GSM/GPRS 模块，工作频段双频：900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音、SMS(短信，彩信)、数据和传真信息的传输，支持 RS232 串口和 LVTTL 串口。此处使用TTL串口。AT 指令集是从终端设备(TA)向终端适配器(TE)发送的。通过TA、TE发送 AT 指令来控制移动台的功能。用户可以通过 AT 指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。通过CC2530的串口1的P0.3、P0.4两个端口向SIM900A发送AT指令，用于向远程服务器发送数据或接收数据。

1.3 服务器的设计

学校网络是一个局域网，实验室网络不具备外网IP，协调器不能通过移动内网找到个人PC并完成通信功能。因此，本设计加入了一个阿里云服务器，其拥有公网IP，具备与协调器和个人PC双向通信的需求。

在服务器上安装Eclipse作为Java[6]集成开发环境,编写Java程序。该程序只是完成数据的转发功能，即将协调器传输的数据发送到个人PC端，将PC端的指令数据发送到协调器。

1.4 PC界面的设计

Qt[7]是一个跨平台的C++面向对象的图形用户界面应用程序框架。在Qt Creator 5.1.0跨平台集成开发环境下编写个人PC界面，如图2所示。主页面中是一个线性布局，分别表示菜单栏、状态栏和地址端口栏。其中嵌入一个QStackedLayout布局以便显示不同层数的各个状态，当窗口为亮时，即灯显示为黄色时，表示窗口为打开状态；当窗口为暗时，即灯显示为黑色时，表示窗口为关闭状态。最下面为地址端口栏，右下角处QLineEdit显示了PC连接的公网IP地址与端口号(也是服务器的公网地址与开辟的通信端口)。

图2 远程窗口监控平台

2 系统调试

软件编写完后，下载到ZigBee开发板，供电并运行，同时打开远程服务器的网络调试助手用于显示ZigBee协调器与服务器的通信内容，配置网络调试助手为TCP Server,并配置端口号保持与SIM900A连接的端口号一致。准备就绪后，读取配置网络调试助手的网络数据接收区数据，如图3所示。

图3 网络调试助手接收数据

当协调器通过SIM900A连接到服务器时，网络调试助手左下角会有Message：FD_ACCEPT消息提示连接成功。在网络数据接收区，可以读取到数据如下：第一行显示连接服务器的网络地址及端口号，用以区分是协调器还是远程的界面，此处连接的是协调器；从第二行开始显示的是协调器发送到服务器的数据，首先当ZigBee节点加入网络后会向协调器发送其网络地址、父节点网络地址和自身物理地址，如图3中第二行，其中父节点网络地址为0000，表示其父节点为协调器本身；从第三行开始均表示窗口状态的反馈，前十二个字符表示反馈的状态的网络节点，后两个字符表示节点两个端口窗口的状态，当改变端口P0.6、P0.7处的输入电平，或0～3.3 V，或3.3～0 V，从图中第3～8行可以看到反馈状态的变化。同理当在发送区中向协调器发送改变窗口指令时，用万用表测量P0.4、P0.5处输出电压均发生改变。

3 结论

本文提出了一种ZigBee无线窗控网络节点的远程监控系统，该系统以CC2530为主控芯片，软件编写在ZSTACK体系下完成，组建了ZigBee网络，该系统具有成本低、可扩展性强、稳定性强、维护成本低，且便于远程控制等优点。本设计对大型设施通风窗口控制系统有指导意义，同时也可应用于智能工业控制、家居智能化、楼宇智能化、农业智能化等领域。

[1] 孙占伟，赵烁，王盼星，等. 基于物联网的社区服务信息交互终端与系统[J]. 吉林大学学报(信息科学版)，2016，34(4)：516-519.

[2] 辛颖，谢光忠，蒋亚东.基于ZigBee协议的温度湿度无线传感器网络[J]. 传感器与微系统，2006， 25(7)： 82-84.

[3] 蔡利婷，陈平华，罗彬，等. 基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J]. 计算机技术与发展，2012，22(11)：197-200.

[4]徐玉炎，明轩，张瑞，等. 基于WSN的医疗监护系统的设计[J]. 电子设计工程，2015(2): 92-95.

[5] 王东, 张金荣，魏延，等. 利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J]. 重庆大学学报, 2006,29(8): 95-98.

[6] 李正明，吴波．基于物联网的智能家居控制系统研究[J]．现代科学仪器，2012(2):68-71.

[7] 陆文周.Qt5开发及实例[M].北京：电子工业出版社，2013.

The remote monitoring system of ZigBee wireless window control network node

Xu Haitao, Hou Ye, Liu Xinru

(School of Electro-Mechanical Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

This paper designs a ZigBee wireless network node monitoring system, and through the wireless mobile network to achieve remote monitoring. The system uses CC2530 microprocessor to transplant ZSTACK system, on the basis of the system, the ZigBee network wireless communication links is established, which can successfully operate on the ZigBee network nodes. The network coordinator can communicate to remote server by using TTL-level conversion of the way to connect the serial port on the SIM900A module. Two ports are set up at the network node. One is set as input to collect the status of the port, as a monitor port. And the other one is set as output to control status of the port, as a control port. Ali cloud server has public IP, which can be used as the remote server of the experiment. We can use this to display network status and control remote network nodes.

CC2530; ZStack; remote monitoring; ZigBee

TP13

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.022

徐海涛，侯叶，刘欣茹.ZigBee无线窗控网络节点的远程监控系统[J].微型机与应用，2017,36(13)：73-75，81.

2017-01-03)

徐海涛(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

侯叶(1961-)，女，博士，教授，主要研究方向：嵌入式控制系统的开发与研究。

刘欣茹(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：ZigBee智能控制。