丁 琳，李蒙蒙

?

基于ZigBee和4G技術(shù)的門窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁 琳，李蒙蒙

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子與信息工程學(xué)院，江蘇 淮安 223002）

介紹了基于ZigBee和4G技術(shù)相結(jié)合的門窗智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)以CC2530為微處理器，以ZigBee的無線自組網(wǎng)和4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信方式，實(shí)現(xiàn)了門窗控制的智能化。

ZigBee；4G；智能門窗；監(jiān)控

0 引言

近幾年，隨著電子信息技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，加速了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活環(huán)境的智能化即智能居家系統(tǒng)的要求也越來越高，而實(shí)現(xiàn)門窗智能化是智能家居系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1-3]。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和Android的智能門窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在居家場(chǎng)所，也可用在辦公室和學(xué)校等場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)門窗的智能控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖可知，智能門窗控制系統(tǒng)由感知部分（主要是溫濕度傳感模塊、風(fēng)速傳感模塊和人體紅外傳感模塊等）、控制部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分組成。感知部分主要采集的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風(fēng)速等外界環(huán)境數(shù)據(jù)，通過這些傳感器收集室外的各類環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的智慧化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；控制部分主要為窗簾、窗戶等需要提供決策指令的設(shè)備，通過基于ZigBee的無線通信網(wǎng)，把從上位機(jī)上接收到的控制命令通過終端設(shè)備輸出高低電平，進(jìn)而來控制它們的開和關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸部分是感知部分、控制部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分的設(shè)備接入以及數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)的紐帶，感知部分采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸方式上傳給處理器，處理器通過4G無限傳輸給服務(wù)器；當(dāng)有需求時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控部分（即智能手機(jī)端）把控制命令通過4G下發(fā)給處理器，處理器再通過ZigBee無線傳輸把控制命令發(fā)給需要控制的窗簾、窗戶等設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 室外溫濕度傳感器

本系統(tǒng)中檢測(cè)室外溫度和是否是雨雪天氣均采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它的主要組成部分是NTC測(cè)溫元件和電阻式感濕元件[4]，和本系統(tǒng)所用的8位CC2530開發(fā)板相匹配，能測(cè)量溫度和是否是雨雪天氣。該傳感器讀取數(shù)據(jù)便捷，功耗低，尺寸小，抗干擾能力強(qiáng)且價(jià)格較為低廉。如圖2所示為DHT11溫濕度傳感器與CC2530的連接圖，DHT11的第一引腳接3-5.5V的直流電源，在本文中 使用的是+5V的電源，第二引腳接CC2530的I/0口，第三引腳懸空，第四引腳接地。

圖2 DHT11傳感器與CC2530的連接電路圖

2.2 風(fēng)速傳感器

本系統(tǒng)中風(fēng)速的測(cè)量采用的是M288865風(fēng)速傳感器，該傳感器采用碳纖維材料，具有強(qiáng)度高，啟動(dòng)好等特點(diǎn)。M288865風(fēng)速傳感器具備以下特點(diǎn)[5]：（1）檢測(cè)頭對(duì)環(huán)境風(fēng)速最敏感，一般用來檢測(cè)周圍環(huán)境的風(fēng)速，觸發(fā)CC2530或繼電器模塊等；（2）檢測(cè)頭在環(huán)境風(fēng)速達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，2號(hào)數(shù)據(jù)端輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境風(fēng)速超過設(shè)定閾值時(shí)，2號(hào)數(shù)據(jù)端輸出低電平；（3）2號(hào)數(shù)據(jù)輸出端可以與CC2530的I/O端口直接相連，通過CC2530來檢測(cè)高低電平，由此來檢測(cè)環(huán)境的風(fēng)速改變，M288865傳感器工作原理圖如圖3所示。

圖3 M288865傳感器工作原理圖

2.3 人體紅外傳感器

HC-SR501紅外傳感器是通過紅外技術(shù)自動(dòng)感應(yīng)，探頭采用LHI778，擁有高靈敏度，可以在低壓下工作[6-7]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用紅外感應(yīng)來是否有人非法進(jìn)入。HC-SR501紅外傳感器的實(shí)物如圖4所示。HC-SR501紅外傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸至基于ZigBee的CC2530處理器，CC2530處理器把采集的數(shù)據(jù)通過I/O口輸出，并通過無線射頻發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。采集完數(shù)據(jù)之后，CC2530處理器通過RF發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

圖4 人體紅外傳感器（HC-SR501）實(shí)物圖

3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要由ZigBee無線傳輸部分和4G數(shù)據(jù)傳輸部分這兩個(gè)部分組成[8-9]。ZigBee無線傳輸部分主要負(fù)責(zé)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的室外環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至處理器模塊，處理器模塊對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提??；4G數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)把處理器模塊提取的室外的環(huán)境數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，為用戶提供決策。除此之外，對(duì)于從遠(yuǎn)程監(jiān)控部分（即智能手機(jī)端）下發(fā)的控制命令，也需要通過4G網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)去傳輸，進(jìn)而對(duì)窗簾、窗戶等設(shè)備進(jìn)行操作。

3.1 ZigBee傳輸部分設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸部分的核心模塊使用的是CC2530芯片。CC2530芯片它所用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4，并結(jié)合了先進(jìn)的RF收發(fā)器。在本系統(tǒng)中ZigBee無線傳輸部分用的的CC2530的引腳主要有17號(hào)引腳、18號(hào)引腳、34號(hào)引腳和35號(hào)引腳，它們主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，主要用到的引腳功能如表1所示。不管是協(xié)調(diào)器把室外的環(huán)境數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給處理器，還是協(xié)調(diào)器通過串口接收命令，開始都需要對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)起始位、數(shù)據(jù)位、停止位、傳輸速率及波特率進(jìn)行初始化。本系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議主要分為命令頭、地址以及數(shù)據(jù)，格式如表2所示。本系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議中的校驗(yàn)采用的是簡(jiǎn)單的去幀頭幀尾之和。

表1 CC2530芯片用到的引腳功能介紹

Tab.1 Introduction to CC2530

表2 ZigBee通信協(xié)議命令格式

Tab.2 ZigBee communication protocol command format

3.2 4G傳輸部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，服務(wù)器和智能手機(jī)終端接收處理器通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳上來的數(shù)據(jù)[10-11]。4G網(wǎng)絡(luò)使用的是中興的ME3760通信模塊。它不僅支持LTE TDD的2.6 GHz、2.3 GHz和1.9 GHz三個(gè)頻段，還支持LTE FDD的2.6 GHz的頻段，并同時(shí)兼容TD-SCDMA的2.1 GHz和1.9 GHz頻段以及GSM的900 MHz和1800MHz二個(gè)頻段。本設(shè)計(jì)通過處理器的UARTO(RXDO)、UARTO( TXDO)分別與EM3760 TXD1、RXD1相連，處理器通過串口AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)EM3760數(shù)據(jù)通信。處理器分別與ZigBee、4G部分的連接圖如圖5所示。

圖5 CC2530、ME3760與處理器的連接圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用Zigbe技術(shù)和4G技術(shù)的相結(jié)合，是數(shù)據(jù)短距離和長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐昝兰蟍12]，既節(jié)約了成本，又實(shí)現(xiàn)的門窗智能控制的實(shí)時(shí)性、可移動(dòng)性（通過智能手機(jī)終端控制）。這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的相結(jié)，將越來越多的應(yīng)用到人們的生活和工作中。

[1] 荀艷麗, 焦庫, 張秦菲. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2018(10): 74-76, 80.

[2] 郭奇青, 李偉. ZigBee與Wi-Fi融合的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2018(7):59-62.

[3] 牛國鋒, 張明新, 鄭金龍. 基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居設(shè)計(jì)[J]. 常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2018(5):51-55.

[4] 張濤, 劉朝華, 夏維曦. 基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能藥箱應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件, 2016, 37(02): 39-41.

[5] 許可, 許迪文, 楊潤(rùn)書, 等. 基于ZigBee和GIS的校園環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件, 2018, 39(7): 116-120.

[6] 賈興葦, 王丹志. 基于Android 的出租車智能管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 軟件, 2016, 37(01): 38-43.

[7] 宋凱, 姚嘉明, 李靜, 王晟. 基于樹莓派的智能家居控制開關(guān)的研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2015, (21) :50-53.

[8] 仇消消, 方明星, 鄭德志, 等. 智能家居系統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2018(10):84-87.

[9] 王志超, 劉波, 花於鋒. 基于移動(dòng)4G與ZigBee無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014(3): 21-25.

[10] 傅偉, 蔣道霞, 安業(yè)品. 基于 Android 的智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)的研究[J]. 軟件, 2018, 39(3): 48-51.

[11] 王曉飛. 云計(jì)算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的運(yùn)用[J]. 電子測(cè)試, 2018, (16):139, 136.

[12] 劉冀鵬, 張洪沛. 智能家居安防技術(shù)專利分析[J]. 軟件, 2018, 39(1): 165-168.

Design of Intelligent Door and Window Control System Based on ZigBee and 4G Technology

DING Lin, LI Meng-meng

(Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering, JiangSu Vocational College of Finance and Economics, Huai’an 223002, China)

This paper introduces the design of software and hardware scheme of intelligent door and window control system which based on ZigBee and 4G technology, changing the way of traditional monitoring. It uses the CC2530 as microprocessor. The wireless networks commun-ication of ZigBee and the 4G wireless network technology are the means of communication, which makes door and window intelligent.

ZigBee; 4G; Intelligent door and window

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.009

江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院?？蒲许?xiàng)目“基于ZigBee的門窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”、江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目“基于ZigBee和Android的門窗智能控制系統(tǒng)APP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)”

丁琳(1980-)，女，碩士，講師，主要從事傳感器和電氣控制方面的研究；李蒙蒙，女(1998-)，大專，學(xué)生，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

丁琳，李蒙蒙. 基于ZigBee和4G技術(shù)的門窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2018，39（11）：36-38