基于ZigBee協(xié)議WSN在智能家居中的控制實現(xiàn)

王明偉,陳立萬,李洪兵,陳　強

(1.重慶三峽學院 電子信息與工程學院,重慶　404100;2.重慶三峽學院 計算機科學與工程學院,重慶　404100)

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基于ZigBee協(xié)議WSN在智能家居中的控制實現(xiàn)

王明偉1,陳立萬1,李洪兵2,陳強1

(1.重慶三峽學院 電子信息與工程學院,重慶404100;2.重慶三峽學院 計算機科學與工程學院,重慶404100)

摘要為改善無線節(jié)點失效而影響信息采集問題,提出了一種基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網絡在智能家居中的控制與實現(xiàn)方案,該方案采用低功耗ARM11處理器為核心,利用內嵌協(xié)議棧模塊為網絡的數(shù)據(jù)出口,以嵌入式Web服務器為網關,利用ZigBee協(xié)議進行全網無線搭建,對信息的采集、分析、處理、控制。通過實驗驗證表明,對節(jié)點失效檢測率達到80%,在溫度檢測方面誤差為0.05 ℃,增強家居生活的安全性,實現(xiàn)了無線傳感器網絡在家居生活智能化的管理。

關鍵詞無線傳感器網絡;ZigBee協(xié)議;智能家居

Design and Implementation of WSN Based on ZigBee Protocol in Smart Home

WANG Mingwei1,CHEN Liwan1,LI Hongbing2,CHEN Qiang1

(1.School of Electronic Information and Engineering,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404100,China;2.School of Computer Science and Engineering,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404100,China)

AbstractWireless Sensor Network (WSN) based on the ZigBee protocol is the next generation of emerging sensor networks.ZigBee technology with high performance,low power consumption and low speed rate enjoys broad application prospects,such as industrial control.This study uses the ZigBee technology to establish the wireless network in smart home in stead of the traditional mode type with low power ARM11 as the core,embedded protocol stack as the data interface and embedded Web server as the gateway to improve the wireless node failure that affects information acquisition.Experiments show that the failure detection rate is 80% and the temperature detection error is 0.05 ℃,thus enhancing the security of the smart home and achieving the smart management of household life by the wireless sensor network.

Keywordswireless sensor network;ZigBee protocol;smart home

無線傳感器網絡是由部署在檢測區(qū)域內大量具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器節(jié)點,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡系統(tǒng)[1]。其中ZigBee協(xié)議以其功耗低、傳輸距離較遠、安全性較高的特點在無線傳感器網絡中應用廣泛。無線傳感器網絡在智能家居應用,以環(huán)境控制為主、安全管理為導向,對家庭中設備進行有效地整合,實現(xiàn)遠程控制與集中控制,使家居生活更加安全、便利以及舒適。

對于節(jié)點失效,提出了正六邊形的拓撲結構。采用與鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)[2]、歷史數(shù)據(jù)比對來確定節(jié)點失效并嘗試進行修復,在確定節(jié)點永失效久后達到一定數(shù)量時,會喚醒失效節(jié)點并聯(lián)的備用節(jié)點,從而保障網絡的可靠運行。

1系統(tǒng)整體架構

1.1整體架構設計

系統(tǒng)構建,包括智能家居上位機系統(tǒng)、協(xié)調器、路由器、ZigBee無線傳感網絡節(jié)點與下位機系統(tǒng)等部分組成。ZigBee無線傳感網絡節(jié)點分為負責數(shù)據(jù)信息采集的傳感控制節(jié)點和負責組網的協(xié)調器節(jié)點兩種。

圖1為無線傳感器網絡系統(tǒng)的整體架構,在每個從節(jié)點上均集成有電器設備與相應的傳感器,由數(shù)據(jù)采集從節(jié)點對周圍的環(huán)境進行信息的采集,并將信息通過數(shù)據(jù)采集主節(jié)點傳送給匯聚節(jié)點、網關、分析機、上位機,與上位機預先設置的信息進行比對后,發(fā)出相應的指令對相應的設備做出控制。本系統(tǒng)用溫度、濕度、光強度等傳感器進行數(shù)據(jù)采集,協(xié)調器節(jié)點將傳感控制節(jié)點上采集到的實時數(shù)據(jù),經過串口傳送給上位機,上位機系統(tǒng)通過與預設定的值和接收到的數(shù)據(jù)進行比較,采取相應的措施來對各個傳感控制節(jié)點的監(jiān)測與控制[2]。

圖1　系統(tǒng)整體架構圖

1.2系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)功能包括軟硬件的主程序、初始化程序、中斷服務子程序、節(jié)點控制子程序。初始化程序主要負責初始化串行通信接口、定時器等工作;中斷服務子程序主要負責接受串行通信接口傳輸?shù)男畔?節(jié)點控制子程序控制設備是否運行。功能流程如圖2所示。

系統(tǒng)采樣前,協(xié)調器首先進行初始化,然后協(xié)調其選擇通信通道,接著啟動網絡,所有的設備接入協(xié)調器。協(xié)調器發(fā)送接送請求,請求合法,初始化ADC開始信息采集,系統(tǒng)開始采樣時,對各個節(jié)點的哨兵發(fā)出喚醒命令,使各個節(jié)點開始進行信息的采集。各節(jié)點的哨兵對下屬各個子節(jié)點發(fā)出信息采集的指令,各節(jié)點開始進行信息的采集。各子節(jié)點將接到的信息傳輸?shù)较鄳纳诒?jié)點,各哨兵節(jié)點將信息(ZigBee數(shù)據(jù))進行預處理。處理后經過路由器傳輸?shù)絽f(xié)調器,協(xié)調器將信息傳輸?shù)缴衔粰C。當數(shù)據(jù)異常時,判斷節(jié)點是否失效,通過力矩節(jié)點的數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行比對確定節(jié)點失效且無法進行自修復時,喚醒失效節(jié)點上的備用節(jié)點重新進行數(shù)據(jù)采集。將處理好的信息通過網絡發(fā)送給上位機,等待上位機命令,上位機將預先設定好的指令發(fā)送給下位機,使執(zhí)行機構動作。

圖2　系統(tǒng)流程圖

2硬件平臺

系統(tǒng)硬件電路主要由 ARM11微處理器、電源及復位模塊、以太網接口模塊、協(xié)調器、ZigBee無線網絡模塊、遠程控制端和家庭控制端組成,如圖3所示。

圖3　硬件平臺

本系統(tǒng)由3類節(jié)點組成:ZigBee協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點。ZigBee協(xié)調器是分布式處理中心,ZigBee節(jié)點通過擴展引出通用接口與家庭控制終端連接并接收其數(shù)據(jù),然后發(fā)送給ZigBee協(xié)調器。協(xié)調器與S3C6410處理器通過SPI連接,將從節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)接收并傳輸給中央控制器,從而實現(xiàn)家庭環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的采集、存儲與無線收發(fā)[3]。多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域,每個傳感器節(jié)點可采集到相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù),再把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點,然后匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機,并進行數(shù)據(jù)比對后顯示給用戶[4-6]。協(xié)調器節(jié)點可與多個傳感器節(jié)點通信,使系統(tǒng)同時監(jiān)測多個區(qū)域,檢測區(qū)域由用戶通過協(xié)調器節(jié)點來控制。

3軟件實現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集與處理軟件流程

數(shù)據(jù)采集與處理都與ARM11處理器相連,整體流程如圖4所示。初始化程序后,處理器判斷傳感器是否正在進行數(shù)據(jù)采集,不需要時進入休眠模式,等待下次數(shù)據(jù)采集信息喚醒指令;需要數(shù)據(jù)采集時,處理器采集當前傳感器采集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,同時同步時間時鐘,在判別采集到的數(shù)據(jù)與預設有效數(shù)據(jù)是否一致,若未發(fā)生異常,進行登記后判斷是否發(fā)生故障,若發(fā)生故障則喚醒備用節(jié)點,若無故障再重新采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)異常時進行分析處理,存儲在數(shù)據(jù)庫中,通過網關協(xié)調器將數(shù)據(jù)傳給上位機軟件,上位機發(fā)出指令控制下位機動作。

圖4　數(shù)據(jù)采集與控制流程

3.2軟件開發(fā)環(huán)境

程序開發(fā)環(huán)境的搭建從以下方面考慮:(1)代碼編輯和編譯環(huán)境。IAR Embedded Workbench,能夠直接使用德州儀器公司提供的協(xié)議棧 Z-Stack進行開發(fā),開發(fā)者調用API接口函數(shù)即可[4];ZigBee協(xié)議棧組件安裝包以及程序下載工具Flash;(2)RAM11的開發(fā)環(huán)境。Linux操作系統(tǒng),NFS網絡文件,JTAG調試工具,Arm-Linux-Gcc編譯工具鏈,嵌入式Linux操作系統(tǒng)(根據(jù)開發(fā)板和處理器配置并編譯),擴展庫;(3)下位機軟件環(huán)境。下位機采用VB6.0軟件,主要負責實現(xiàn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)調器和與上位機通信等功能。上電后,進行程序初始化,經過協(xié)調器、路由器,等待上位機指令。數(shù)字信號處理(DSP)完成參數(shù)配置后喚醒傳感器進行數(shù)據(jù)采集,并傳給上位機;(4)上位機軟件環(huán)境。上位機采用VC++6.0編程,主要完成下位機指令的發(fā)送和傳感器數(shù)據(jù)的接收、顯示與處理等功能。利用VC++6.0與DSP串口連接,實現(xiàn)指令發(fā)送與數(shù)據(jù)接收,完成下位機上傳的采集信息[5-7]。

4實驗測試

在實驗室測試,當天氣溫20～28 ℃,取某結點的傳感器進行性能測試。數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光照等參數(shù)。數(shù)據(jù)經過處理后,每20 min打包,數(shù)據(jù)包由網關傳輸給上位機進行保存、處理和顯示。以溫度傳感器為例,在溫度傳感器檢測的溫度隨時間變化的實際數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　溫度傳感器數(shù)據(jù)曲線

溫度標準測量值使用專用DT-321S露點濕球溫濕度計測得,并與本系統(tǒng)的溫度傳感器數(shù)據(jù)進行對比,如表1所示。

表1　溫度對照表

結果證明:在提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下,測量值與實際值基本保持一致,最大誤差為0.05 ℃,達到了測量精度的要求。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時,針對節(jié)點失效進行仿真,仿真結果如圖6所示。

圖6　節(jié)點失效檢測概率曲線

由圖6可知,在系統(tǒng)檢測時,節(jié)點出現(xiàn)漏檢的概率較小,當數(shù)據(jù)異常時,可檢測出是系統(tǒng)中節(jié)點失效的概率約為80%,這在一定程度上說明節(jié)點失效故障檢測策略的有效性。

5結束語

本文提出了一種基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網絡在智能家居中的控制與實現(xiàn)方案,該方案采用低功耗ARM11處理器為核心,利用內嵌協(xié)議棧模塊為網絡的數(shù)據(jù)出口,以嵌入式Web服務器為網關,利用ZigBee協(xié)議進行全網無線搭建,對信息的采集、分析、處理、控制,并對節(jié)點失效進行驗證。實驗證明,該系統(tǒng)功耗降低、可靠性高與抗干擾能力強,具有良好的通用性,且適合在智能家居系統(tǒng)中應用。

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中圖分類號TP393

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-114-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.029

作者簡介:王明偉(1989—),男,碩士研究生。研究方向:無線傳感網絡。陳立萬(1964—),男,教授,碩士生導師。研究方向:信號與信息處理。李洪兵(1981—),男,博士,講師。研究方向:智能信息處理等。

基金項目:重慶市科委基礎與前沿基金資助項目(cstc2014jcyjA1316);重慶市教委科技基金資助項目(KJ131117;KJ1401002;KJ1401008);重慶三峽學院博士基金資助項目(14ZZ03)

收稿日期:2015- 07- 22