宿舍无线监控系统设计与实现
2014-07-24张文梅廖福保
张文梅++廖福保
摘要：针对目前校园宿舍安全的需求和特点，设计了基于Zigbee的校园宿舍无线监控系统，系统采用TI公司的低功耗射频芯片CC2530作为通信模块。该文重点介绍了系统的整体方法及各模块的设计以及数据流图，通过传感器能够对宿舍的各个参数进行实时监控，有异常时能自动处理和报警。通过实验结果证明该系统能满足校园宿舍监控的需要。
关键词：Zigbee；CC2530；宿舍监控系统
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）15-3506-03
The Design and Implementation of Dormitory Monitoring System Based on Zigbee
ZHANG Wen-mei1， LIAO Fu-bao2
（1.Department of Mechanics and Electronics， Guangdong AIB Polytechnic College， Guangzhou 510507， China； 2.Department of Computer， Guangdong AIB Polytechnic College， Guangzhou 510507， China）
Abstract： Based on the security requirements and characteristics of current campus dormitory ， this paper designs a campus dormitory wireless monitoring system based on Zigbee， and the system adopts low power rf chip of TI company CC2530 as the communication modules. The paper mainly introduces the integral method， the design of each module and data flow diagram. The system can monitor the parameters of the dormitory， and can automatic processing and alarm when abnormal. The experimental results prove that the system can meet the needs of the campus dormitory monitor.
Key words： Zigbee； CC2530； dormitory monitoring system
1 概述
随着通信、嵌入式计算和传感器等相关技术的发展进步，无线传感器网络技术已成为当前研究的热点，各类无线短距离通信技术得到迅猛发展，但每类技术都有各自的优缺点，传输的距离和速率也各不相同，适用于不同的领域。而Zigbee技术是其中的一项无线短距离通信技术，该技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗协议，是一种低功耗、短距离的无线通信技术，具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本等特点，已被广泛应用[1]。
在智能家居系统研发领域，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软及摩托罗拉等公司为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。例如：微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳的技术来抢占智能家居市场。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发[2]。
当前，高校学校安全普遍采用摄像头监控加上宿舍管理员的模式[3]，另外还包括学校管理层定期或不定期的检查管理模式，但这种管理方式并不能准确、及时地反映学生宿舍情况，也无法实时监控到火灾、烟雾等的发生；另外，当危情发生时不能进行相应的预处理和报警。该文针对当前高校的监控模式提出了基于Zigbee技术的无线网络宿舍监控系统。
2 系统整体设计
系统硬件组成包括如下几个部分：Zigbee组成的无线传感网络、平板电脑、无线路由器、交换机、Web服务器等。硬件连接图如图1所示。Zigbee无线网络采用星型方式组网，由一个PAN协调器和多个终端节点组成的，PAN协调器负责发起建立和管理整个网络，协调器节点可以与终端的任一节点进行通讯或广播通讯。
各部分功能如下：
1）Zigbee无线传感网络主要由Zigbee无线收发模块和传感器连接而成。各类传感器负责采集所在区域的各种实时信息，包括气体浓度传感器、温度传感器和光照传感器和火焰传感器。这些传感器将采集到的信息传给各自相连的Zigbee模块，即各自的终端节点。各自的终端节点通过无线传输方式将信息发送到协调器节点，协调器节点经过串口传输给平台电脑（Android平板内置有Zigbee和Wifi模块），平台电脑再通过无线路由把信息传输给服务器。同时Zigbee无线传感网络接收来自服务器的控制消息，传送给相应的控制器来控制武器室里的各种设备，如照明、窗帘等。
2） 平板电脑用来分析并存储采集的信息，实时显示监控区域内的温度、光照等参数环境。当监控区域异常时，将警报信息发送到服务器，服务器将自动通知相关人员进行处理。
3） 服务器负责处理各类信息，并将异常信息发送给相关人员。还可以将控制信息发送给相应的控制器以控制相应的设备。
Zigee自动组网过程如下：
1）先对协调器上电，由协调器节点负责组建ZigBee网络，再等待终端节点的加入。endprint
2） 再对终端节点上电，它将自动查找跟其PANID相同的ZigBee 网络，实现自动组网。
3） 组网后，终端节点会把自己的物理地址发送给协调器。协调器再把终端节点的相关信息发送给Android平板保存。
2.1 Zigbee模块
Zigbee模块以Chipcon公司的CC2530芯片为核心模块[4]以及RF前端、电源管理模块、LED模块及外部通信接口组成，其主要硬件结构如图2所示。LED模块可用来显示网络的连接状态； RF前端采用TI公司的CC2591芯片，该芯片工作在2.4GHz。Zigbee电源采用外接电源的方式，从而保证各节点的正常运行。
在协调器端，通过串口发送数据，所有路由器均能收到数据；在某个路由器节点端发送数据时，则只有协调器能够收到。发送数据包与接收数据包一致，透明传输模式。协调器的通信接口采用标准串口RS232，采用MAX3232对RS232电平和TTL电平进行转换。
在终端节点模块，传感器模块负责采集数据并对数据进行转换（模拟信息转换为数字信息），处理器模块主要负责控制节点的操作、存储相关数据。
2.2 平板电脑处理模块
平板电脑处理模块（如图3所示）主要是接收Zigbee无线网络中的汇聚节点通过串口发送过来的采集数据和接收用户通过电脑PC发送的控制信息和相关的查询信息，这里还可以对这些信息进行相应的处理。
平板采用基于Android的带有串口和WiFi功能的智能平板，采用串口连接无线传感网络的汇聚节点，平板将实现显示、存储、人机交互、远距离通信和网络通信等功能。平板软件在Android4.0操作系统下运行，程序在Android Eclipse下开发完成。其工作过程大致为：将平板串口与无线传感网络汇聚节点进行连接和数据传输，同时平板通过同一局域网的WiFi连接至远程终端，实现对ZigBee网络测控信息的显示、存储和控制等，实现通信和管理，完成无线网络和互联网的双向数据传输和控制。
2.3 数据流程图
1）数据采集流程图：宿舍传感器采集到数据，先通过Zigbee无线传感器网络进行传输，Zigbee经过串口通信将数据上传到平板，再通过无线路由方式将数据传输到服务器，终端用户就可以通过不同的方式来浏览数据，其数据流程如图4所示。
2） 控制流程图：当用户查看到异常或系统检测到异常后，服务器发出控制信息到平板，平板再通过串口将控制信息传输给Zigbee网络控制继电器，其数据流程如图5所示。
3 系统实现
系统能实时显示宿舍内的烟雾、光照、温度等环境参数，而当宿舍内发生异常情况时，平板会根据参数进行处理可自动控制宿舍的继电器；另外平板也会将数据发送给服务器端，服务器通过短信方式通知相关工作人员进行处理。其显示界面如图6所示。
4 结束语
针对当前校园宿舍安全的需求，该文利用无线传感网络技术，构建了一种校园宿舍监控系统，采用CC2530作为无线通信模块，系统对主要模块进行了详细介绍和相关数据流程图。最后，完成一个系统的实现，结果表明该系统成本低、功耗小，能达到对校园宿舍实时监控并能自动处理和报警的目的。
参考文献：
[1] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zigbee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用[J].2011，20（7）：184-188.
[2] 刘永安.基于ARM的智能家居控制系统[D].成都：西南交通大学，2009.
[3] 劳中兴，石庆华，李蓉.广西高职院校学生公寓安全隐患调查与分析[J].广西教育，2013（3）：18-19.
[4] 陈海松.基于Zigbee技术的智能教室设备控制系统设计[J].电子技术设计与应用，2013（8）：55-57.endprint
2） 再对终端节点上电，它将自动查找跟其PANID相同的ZigBee 网络，实现自动组网。
3） 组网后，终端节点会把自己的物理地址发送给协调器。协调器再把终端节点的相关信息发送给Android平板保存。
2.1 Zigbee模块
Zigbee模块以Chipcon公司的CC2530芯片为核心模块[4]以及RF前端、电源管理模块、LED模块及外部通信接口组成，其主要硬件结构如图2所示。LED模块可用来显示网络的连接状态； RF前端采用TI公司的CC2591芯片，该芯片工作在2.4GHz。Zigbee电源采用外接电源的方式，从而保证各节点的正常运行。
在协调器端，通过串口发送数据，所有路由器均能收到数据；在某个路由器节点端发送数据时，则只有协调器能够收到。发送数据包与接收数据包一致，透明传输模式。协调器的通信接口采用标准串口RS232，采用MAX3232对RS232电平和TTL电平进行转换。
在终端节点模块，传感器模块负责采集数据并对数据进行转换（模拟信息转换为数字信息），处理器模块主要负责控制节点的操作、存储相关数据。
2.2 平板电脑处理模块
平板电脑处理模块（如图3所示）主要是接收Zigbee无线网络中的汇聚节点通过串口发送过来的采集数据和接收用户通过电脑PC发送的控制信息和相关的查询信息，这里还可以对这些信息进行相应的处理。
平板采用基于Android的带有串口和WiFi功能的智能平板，采用串口连接无线传感网络的汇聚节点，平板将实现显示、存储、人机交互、远距离通信和网络通信等功能。平板软件在Android4.0操作系统下运行，程序在Android Eclipse下开发完成。其工作过程大致为：将平板串口与无线传感网络汇聚节点进行连接和数据传输，同时平板通过同一局域网的WiFi连接至远程终端，实现对ZigBee网络测控信息的显示、存储和控制等，实现通信和管理，完成无线网络和互联网的双向数据传输和控制。
2.3 数据流程图
1）数据采集流程图：宿舍传感器采集到数据，先通过Zigbee无线传感器网络进行传输，Zigbee经过串口通信将数据上传到平板，再通过无线路由方式将数据传输到服务器，终端用户就可以通过不同的方式来浏览数据，其数据流程如图4所示。
2） 控制流程图：当用户查看到异常或系统检测到异常后，服务器发出控制信息到平板，平板再通过串口将控制信息传输给Zigbee网络控制继电器，其数据流程如图5所示。
3 系统实现
系统能实时显示宿舍内的烟雾、光照、温度等环境参数，而当宿舍内发生异常情况时，平板会根据参数进行处理可自动控制宿舍的继电器；另外平板也会将数据发送给服务器端，服务器通过短信方式通知相关工作人员进行处理。其显示界面如图6所示。
4 结束语
针对当前校园宿舍安全的需求，该文利用无线传感网络技术，构建了一种校园宿舍监控系统，采用CC2530作为无线通信模块，系统对主要模块进行了详细介绍和相关数据流程图。最后，完成一个系统的实现，结果表明该系统成本低、功耗小，能达到对校园宿舍实时监控并能自动处理和报警的目的。
参考文献：
[1] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zigbee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用[J].2011，20（7）：184-188.
[2] 刘永安.基于ARM的智能家居控制系统[D].成都：西南交通大学，2009.
[3] 劳中兴，石庆华，李蓉.广西高职院校学生公寓安全隐患调查与分析[J].广西教育，2013（3）：18-19.
[4] 陈海松.基于Zigbee技术的智能教室设备控制系统设计[J].电子技术设计与应用，2013（8）：55-57.endprint
2） 再对终端节点上电，它将自动查找跟其PANID相同的ZigBee 网络，实现自动组网。
3） 组网后，终端节点会把自己的物理地址发送给协调器。协调器再把终端节点的相关信息发送给Android平板保存。
2.1 Zigbee模块
Zigbee模块以Chipcon公司的CC2530芯片为核心模块[4]以及RF前端、电源管理模块、LED模块及外部通信接口组成，其主要硬件结构如图2所示。LED模块可用来显示网络的连接状态； RF前端采用TI公司的CC2591芯片，该芯片工作在2.4GHz。Zigbee电源采用外接电源的方式，从而保证各节点的正常运行。
在协调器端，通过串口发送数据，所有路由器均能收到数据；在某个路由器节点端发送数据时，则只有协调器能够收到。发送数据包与接收数据包一致，透明传输模式。协调器的通信接口采用标准串口RS232，采用MAX3232对RS232电平和TTL电平进行转换。
在终端节点模块，传感器模块负责采集数据并对数据进行转换（模拟信息转换为数字信息），处理器模块主要负责控制节点的操作、存储相关数据。
2.2 平板电脑处理模块
平板电脑处理模块（如图3所示）主要是接收Zigbee无线网络中的汇聚节点通过串口发送过来的采集数据和接收用户通过电脑PC发送的控制信息和相关的查询信息，这里还可以对这些信息进行相应的处理。
平板采用基于Android的带有串口和WiFi功能的智能平板，采用串口连接无线传感网络的汇聚节点，平板将实现显示、存储、人机交互、远距离通信和网络通信等功能。平板软件在Android4.0操作系统下运行，程序在Android Eclipse下开发完成。其工作过程大致为：将平板串口与无线传感网络汇聚节点进行连接和数据传输，同时平板通过同一局域网的WiFi连接至远程终端，实现对ZigBee网络测控信息的显示、存储和控制等，实现通信和管理，完成无线网络和互联网的双向数据传输和控制。
2.3 数据流程图
1）数据采集流程图：宿舍传感器采集到数据，先通过Zigbee无线传感器网络进行传输，Zigbee经过串口通信将数据上传到平板，再通过无线路由方式将数据传输到服务器，终端用户就可以通过不同的方式来浏览数据，其数据流程如图4所示。
2） 控制流程图：当用户查看到异常或系统检测到异常后，服务器发出控制信息到平板，平板再通过串口将控制信息传输给Zigbee网络控制继电器，其数据流程如图5所示。
3 系统实现
系统能实时显示宿舍内的烟雾、光照、温度等环境参数，而当宿舍内发生异常情况时，平板会根据参数进行处理可自动控制宿舍的继电器；另外平板也会将数据发送给服务器端，服务器通过短信方式通知相关工作人员进行处理。其显示界面如图6所示。
4 结束语
针对当前校园宿舍安全的需求，该文利用无线传感网络技术，构建了一种校园宿舍监控系统，采用CC2530作为无线通信模块，系统对主要模块进行了详细介绍和相关数据流程图。最后，完成一个系统的实现，结果表明该系统成本低、功耗小，能达到对校园宿舍实时监控并能自动处理和报警的目的。
参考文献：
[1] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zigbee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用[J].2011，20（7）：184-188.
[2] 刘永安.基于ARM的智能家居控制系统[D].成都：西南交通大学，2009.
[3] 劳中兴，石庆华，李蓉.广西高职院校学生公寓安全隐患调查与分析[J].广西教育，2013（3）：18-19.
[4] 陈海松.基于Zigbee技术的智能教室设备控制系统设计[J].电子技术设计与应用，2013（8）：55-57.endprint
