馮陳偉，張 璘，袁江南

(廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院 通信工程系，福建 廈門 361024)

基于ZigBee與安卓的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮陳偉，張 璘，袁江南

(廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院 通信工程系，福建 廈門 361024)

隨著中國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測引起人們的廣泛關(guān)注。為了解決目前監(jiān)控系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee和因特網(wǎng)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片及相應(yīng)傳感器構(gòu)建ZigBee局域網(wǎng)，將采集到的溫濕度信息，經(jīng)過上位機(jī)存儲(chǔ)并處理，利用因特網(wǎng)或無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在安卓智能手機(jī)終端上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。通過上位機(jī)與手機(jī)終端，可以查看當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，保存歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。給出系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方法，包括節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、組網(wǎng)流程、數(shù)據(jù)傳輸功能、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、安卓智能手機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果說明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、容易擴(kuò)展、上位機(jī)及手機(jī)操作簡便。

ZigBee技術(shù)；安卓；遠(yuǎn)程監(jiān)控；CC2530芯片

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)控問題越來越值得重視。傳統(tǒng)的監(jiān)控以有線傳輸方式為主，但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人將智能監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控區(qū)域之外的遠(yuǎn)程終端上[1]。因此，本文采用ZigBee和因特網(wǎng)技術(shù)以及上位機(jī)與安卓智能手機(jī)終端軟件實(shí)現(xiàn)了智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建了區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)網(wǎng)絡(luò)，完成對環(huán)境溫濕度信息的收集，通過上位機(jī)將現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程手機(jī)終端完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)成本低、功耗小、容易擴(kuò)展、工作穩(wěn)定，可以廣泛應(yīng)用于各類監(jiān)控場景。

1 系統(tǒng)方案

基于ZigBee技術(shù)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)、智能手機(jī)終端等構(gòu)成[2]，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。連接溫濕度傳感器的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)周期性收集環(huán)境數(shù)據(jù)，ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯聚各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)RS-232轉(zhuǎn)USB接口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理。上位機(jī)在接收到協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)后，不僅能在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，還可以通過因特網(wǎng)與智能手機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。借助基于Java的安卓手機(jī)客戶端程序，用戶可以進(jìn)行溫濕度信息查看、查詢及限值報(bào)警等功能。當(dāng)監(jiān)控人員因?yàn)樾枰x開監(jiān)控崗位時(shí)，就可以通過智能手機(jī)終端來遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee是一種物理層和MAC層基于IEEE802.15.4的短距離無線通信技術(shù)。ZigBee具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性，廣泛應(yīng)用于智能監(jiān)控、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居智能化等領(lǐng)域[3]。網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)主要包括協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)相同，不同的功能是由軟件進(jìn)行控制[4]。下面對系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中的主要硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)匯聚接收數(shù)據(jù)等功能。本系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點(diǎn)使用TI公司的CC2530模塊，該模塊內(nèi)部集成了射頻(RF)前端、8051內(nèi)核、A/D等功能，因此以CC2530為核心的硬件電路只需少量外圍元器件配合就能實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能[5]。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它由穩(wěn)壓電路模塊、USB轉(zhuǎn)串口電路、接收數(shù)據(jù)的天線組成。

圖2 協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)電路是為了提高本系統(tǒng)的實(shí)用性與便捷性，使用目前計(jì)算機(jī)普遍配備的USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將原本需要使用串口的通信轉(zhuǎn)換成USB接口。USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，將CC2530的TX和RX分別與PL2303芯片的RXD和TXD相連接，并加以擴(kuò)展相應(yīng)的外設(shè)電路即可。完成硬件的設(shè)計(jì)之后，在上位機(jī)上安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)，就能把USB接口當(dāng)串口正常使用。

圖3 USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)電路

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)包括處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊以及電源模塊。CC2530芯片集成了處理器模塊和無線通信模塊，從而簡化了外部電路設(shè)計(jì)，因此終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要就是傳感器模塊的設(shè)計(jì)[6]。

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用單線制串行接口，1個(gè)I/O接口就可以同時(shí)對溫濕度進(jìn)行測量[7]。溫濕度檢測電路圖如圖4所示，注意接線時(shí)將空腳NC懸空。

圖4 溫濕度檢測電路圖

2.3 電源模塊

電源模塊主要為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)供電。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)均為直流供電，電壓適用范圍在2～3.6 V。在實(shí)際系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)可以采用2節(jié)AA電池供電，協(xié)調(diào)器工作頻率高，能量消耗大，因此協(xié)調(diào)器可采用鋰電池供電，通過低壓差穩(wěn)壓芯片AMS117-3.3 V為CC2530提供直流3.3 V工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件在IAR開發(fā)環(huán)境下使用C語言進(jìn)行編譯和調(diào)試。硬件模塊上電后程序進(jìn)行相應(yīng)的初始化，協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)男诺绖?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，其他終端節(jié)點(diǎn)通過主動(dòng)掃描發(fā)現(xiàn)并加入已創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器便可接收來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各終端節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)的功能流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器功能流程

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)上電后程序進(jìn)行相應(yīng)的初始化，通過主動(dòng)掃描發(fā)現(xiàn)并加入對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，在啟動(dòng)定時(shí)器后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待定時(shí)到進(jìn)入工作模式，這樣做主要為了減少節(jié)點(diǎn)能量消耗[8]。終端節(jié)點(diǎn)功能流程如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)功能流程

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器對溫濕度信息進(jìn)行接收后通過串口發(fā)送至上位機(jī)，即服務(wù)器。在服務(wù)器，使用基于Java中RXTX的串口類庫采集并處理溫濕度數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫中，并按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式解析后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括節(jié)點(diǎn)編號、溫濕度、接收時(shí)間等信息，并可以通過查詢等功能觀測環(huán)境變化情況。最后利用socket協(xié)議與安卓手機(jī)終端進(jìn)行通信，傳輸所需的溫濕度信息。具體分為構(gòu)建串口通信協(xié)議、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、socket網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)3部分。

3.3.1 串口通信協(xié)議

在上述ZigBee終端節(jié)點(diǎn)中，傳感器DHT11的DATA引腳輸出40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，基本格式為：濕度高8位，濕度低8位，溫度高8位，溫度低8位，校驗(yàn)位8位。

通過串口傳輸至上位機(jī)的數(shù)據(jù)，利用RXTX類庫中包含的語句獲取串口信息，只需要設(shè)定好串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶校驗(yàn)就可以通過串口接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的信息。具體實(shí)現(xiàn)方法下：

public static final String PARAMS_PORT = “port name”; // 端口名稱

public static final String PARAMS_DATABITS = “data bits”; // 數(shù)據(jù)位

public static final String PARAMS_STOPBITS = “stop bits”; // 停止位

public static final String PARAMS_PARITY = “parity”; // 奇偶校驗(yàn)

public static final String PARAMS_RATE = “rate”； // 波特率

public static final String dataBit = “”+SerialPort.DATAVITS_8; // 數(shù)據(jù)位

public static final String stopBit = “”+SerialPort.STOPBITS_1; // 停止位

public static final int parityInt = SerialPort.PARITY_NONE; // 無奇偶校驗(yàn)

public static final String port = “COM3”; // 端口名稱

public static final String rate = 115200; // 波特率

3.3.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理

出于對實(shí)時(shí)性要求和用戶體驗(yàn)度的考慮，本系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)的連接方式，上位機(jī)也因此作為服務(wù)器使用。服務(wù)器通過串口程序讀取ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的溫濕度信息并將其存放到MySQL數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫中，用戶可以自由地對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作，例如對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，對錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)刪除，還有根據(jù)查看要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序等。數(shù)據(jù)庫還將存儲(chǔ)用戶的登錄信息以便于實(shí)現(xiàn)對客戶端進(jìn)行服務(wù)器登錄時(shí)的驗(yàn)證，個(gè)人信息的查詢等功能。

本系統(tǒng)服務(wù)器所使用的表單較為簡單，包括用戶注冊信息表與溫濕度信息記錄表。用戶注冊信息表對象名有Username，Userpwd，Name，Sex，Age，Phone，分別用于表示用戶名、密碼、姓名、性別、年齡、電話號碼；溫濕度信息記錄表對象名有ID，Node，Temperature，Humidity，Time，分別用于表示序號、節(jié)點(diǎn)、溫度、濕度、接收時(shí)間。

為了在服務(wù)器能夠方便地查看數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)可視化程序用于數(shù)據(jù)查看、報(bào)警及檢索等功能，如圖7所示。

圖7 服務(wù)器數(shù)據(jù)查看(截圖)

3.3.3 socket通信設(shè)計(jì)

服務(wù)器的另一個(gè)作用就是與手機(jī)客戶端進(jìn)行交互通信，如發(fā)送所查詢的信息、保存注冊信息以及驗(yàn)證登錄信息等。服務(wù)器與手機(jī)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)采用的是基于TCP/IP的socket協(xié)議。

首先，服務(wù)器需要將所有的端口與數(shù)據(jù)庫初始化，即所有端口數(shù)據(jù)置零，打開串口，確認(rèn)串口數(shù)據(jù)通斷，嘗試連接數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建套接字并偵聽端口。接著確認(rèn)通斷，判斷是否連接等。在加載完成并成功建立通信以后，服務(wù)器就開始處理客戶端的各種請求。客戶端在與服務(wù)器的交互中主要涉及：登錄信息的判斷、注冊信息的保存、報(bào)警信息的推送以及根據(jù)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)查詢溫濕度信息所做出的回應(yīng)。服務(wù)器程序流程圖如圖8所示。

圖8 服務(wù)器程序流程圖

3.4 安卓手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)

安卓智能手機(jī)客戶端應(yīng)用程序是以Java作為編程語言，通過Eclipse來創(chuàng)建和開發(fā)的，使用Java開發(fā)包JDK以及安卓ADT進(jìn)行軟件開發(fā)和調(diào)試。客戶端軟件設(shè)計(jì)分為與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信以及用戶界面設(shè)計(jì)，詳細(xì)的手機(jī)客戶端程序流程圖如圖9所示。

圖9 手機(jī)客戶端程序流程圖

與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信過程主要包括系統(tǒng)初始化、創(chuàng)建socket連接、向服務(wù)器發(fā)送連接請求、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令、退出程序等。在客戶端的連接模塊中，其原理與思路與服務(wù)器類似，只需把收發(fā)關(guān)系顛倒即可。

用戶界面設(shè)計(jì)包括用戶訪問界面與用戶主界面。其中用戶訪問界面用于用戶注冊與登錄，用戶主界面用于數(shù)據(jù)的查詢、顯示、報(bào)警等功能。

3.4.1 訪問界面設(shè)計(jì)

訪問界面設(shè)計(jì)包括注冊/登錄界面、登錄提示及跳轉(zhuǎn)到主界面等功能。首先客戶端向服務(wù)器發(fā)送socket請求，接著判斷服務(wù)器與客戶端是否連接成功，如果連接成功則進(jìn)行用戶驗(yàn)證并跳轉(zhuǎn)至主界面，否則提示錯(cuò)誤。

在訪問界面中，用戶需要輸入服務(wù)器的IP及端口號，而不是采用默認(rèn)的套接字，這樣做是為以后可能連接至其他服務(wù)器而預(yù)留設(shè)置。訪問界面登錄成功的狀態(tài)如圖10所示。

圖10 登錄成功狀態(tài)(截圖)

3.4.2 用戶主界面設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶登錄成功后程序跳轉(zhuǎn)至用戶主界面，如圖11所示。主界面上方顯示“當(dāng)前溫度”、“當(dāng)前濕度”以及“溫度閥值”，其中“溫度閥值”可以根據(jù)需要手動(dòng)設(shè)置，“當(dāng)前溫度”和“當(dāng)前濕度”則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫濕度信息。主界面下方為“歷史報(bào)警”、“監(jiān)控記錄”、“溫度查詢”和“個(gè)人信息”4個(gè)按鈕，選擇后分別跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)功能頁面。

圖11 用戶主界面(截圖)

如果用戶需要實(shí)時(shí)溫度預(yù)警功能，只需要設(shè)置好溫度閾值，然后進(jìn)入“歷史報(bào)警”頁面，客戶端就通過該溫度閾值向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫中保存的溫度進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度超過該閾值時(shí)，服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)在手機(jī)客戶端顯示，并且手機(jī)客戶端通過震動(dòng)作為警報(bào)提醒用戶。若數(shù)據(jù)均在閾值以下，則服務(wù)器返回控值，并在手機(jī)客戶端顯示“暫無數(shù)據(jù)”。

進(jìn)入“監(jiān)控記錄”界面可以顯示近期的溫濕度數(shù)據(jù)，并能夠手動(dòng)刷新獲取最新采集的信息，如圖12所示。在“溫度查詢”界面可以通過輸入節(jié)點(diǎn)號、起始時(shí)間和終止時(shí)間來檢索需要的溫濕度信息?！皞€(gè)人信息”界面可供用戶查看注冊時(shí)的個(gè)人信息，但不能作任何的修改。

圖12 監(jiān)控記錄界面(截圖)

4 實(shí)驗(yàn)

為測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力以及穩(wěn)定性，通過傳輸一個(gè)8字符長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能的檢測。由于系統(tǒng)中因特網(wǎng)的傳輸性能取決于運(yùn)營商，因此測試主要以協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間的傳輸條件為前提進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過多次測試得出相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 測試結(jié)果

遮擋物厚度/cm傳輸距離D/m數(shù)據(jù)傳輸情況數(shù)據(jù)更新速度無D<12無字符缺失正常無1220無接收數(shù)據(jù)無更新5(門)D<5無字符缺失正常25(墻)D<3無字符缺失正常

通過一般室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試，分析數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，在近距離范圍內(nèi)(12 m)，數(shù)據(jù)沒有丟包，但是在20 m以上出現(xiàn)了較大的數(shù)據(jù)丟包情況；當(dāng)存在門或墻等遮擋物時(shí)，在3 m范圍以內(nèi)均可以正常通信。因此，在一般的家居環(huán)境下，將協(xié)調(diào)器放置于終端節(jié)點(diǎn)之間的適當(dāng)位置，可以實(shí)現(xiàn)無線采集環(huán)境信息的功能，能夠滿足一般家居環(huán)境的監(jiān)控需求，滿足工程設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可以通過因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程手機(jī)終端查看，實(shí)現(xiàn)了完整的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee與因特網(wǎng)技術(shù)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee的無線特性進(jìn)行環(huán)境信息的采集，將數(shù)據(jù)通過傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)，并通過因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳輸至安卓手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，所設(shè)計(jì)的手機(jī)客戶端程序界面友好、功能完善。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低、能耗低、易于擴(kuò)展性，可以廣泛應(yīng)用于各類監(jiān)控場景。

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Design of Intelligent Remote Monitoring System Based on ZigBee and Android

FENG Chenwei， ZHANG Lin，YUAN Jiangnan

(Department of Communication Engineering，School of Opto-electronic and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，F(xiàn)ujian Xiamen 361024，China)

With the rapid development of China's economy and society，the environment monitoring is paid wide attention to the masses. To settle the current lack of monitoring system， a smart remote monitoring system based on ZigBee and Internet is designed. CC2530 chip produced by TI and corresponding sensors are used to build the ZigBee area network， then the data collected such as temperature， humidity is sent to PC， saved and handled， remotely through Internet network， monitored by Android phone finally. The current state of the environment can be viewed by PC and phone then be preserved； meanwhile automatic alarm also can be achieved. The principle of the system hardware and the implementation methods of the software are introduced，including the node designing，networking forming process， data transmission capabilities， PC software design， Android smart phone software design. The actual test results show that the system is reliable and easy to expand with friendly software interface.

ZigBee technology；Android；remote monitoring；CC2530 chip

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目A類(JA14233)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61202013)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01670)

TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.20.010

馮陳偉(1981— )，博士生，講師，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

2015-02-26

【本文獻(xiàn)信息】馮陳偉，張璘，袁江南.基于ZigBee與安卓的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(20).

張 璘(1981— )，女，碩士，講師，研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

責(zé)任編輯：時(shí) 雯