基于ZigBee+GPRS的电子橱窗远程控制系统设计

基于ZigBee+GPRS的电子橱窗远程控制系统设计

通信作者：詹杰(1973—)，男，湖南常德人，湖南科技大学物理与电子科学学院副教授，博士，主要从事无线传感网络和嵌入式系统研究.

李先春，詹杰，孙琪皓，李虹

(湖南科技大学物理与电子科学学院，湖南 湘潭 411201)

摘要：针对户外智能电子橱窗控制困难和安全性不高的问题，提出一种基于ZigBee和GPRS的智能电子橱窗远程控制系统设计方案.该系统以CC2430微控制器为核心芯片，由Z-Stack协议栈实现ZigBee无线传感器网络的组建，实现多点分布式控制，采用GPRS远程通信技术将采集到的震动警示信息传输到用户移动终端.该系统具有自动调节橱窗背景灯的亮度、节能和光污染少等特点.

关键词：远程控制；ZigBee；GPRS；智能电子橱窗

文章编号：1007-2985(2015)05-0051-06

收稿日期：2015-03-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61377024)；湖南省研究生科研创新基金资助项目(CX2013B404)；湖南省教育厅科学研究资助项目(14C0442)

作者简介：李先春(1989—)，女，重庆梁平人，湖南科技大学物理与电子科学学院硕士研究生，主要从事嵌入式系统处理与无线传感网络研究

中图分类号：TP368.1文献标志码：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.012

智能电子橱窗是一种新型广告传播媒体，利用了现代电子与通信技术，内置的传动装置可在正、背面同时发布多幅广告，是传统平面广告牌的更新换代产品.具有美观大方、操作方便、科技含量高、发布画面多、宣传效果好等优点，广泛应用于城市广场、繁华街道和住宅小区[1-2].然而，目前的智能电子橱窗普遍存在能耗高、可控性差、广告效应难以量化、智能性差等缺点，不能够实现分布式远程实时控制.

针对现有智能电子橱窗存在的问题，笔者设计了一种基于ZigBee和GPRS技术的智能电子橱窗远程分布式智能控制系统，该系统具有无需布线、操作简单、可扩展性强、能耗低、控制灵活方便[2].

1　远程控制系统设计方案

远程控制系统主要由移动控制终端、主控终端节点和终端节点3部分组成，如图1所示.

图1　远程控制系统架构

移动控制端负责发送控制信息并接收橱窗反馈信息，可用手机实现；主控终端节点作为协调器节点，由GPRS DTU模块和ZigBee射频模块等组成，采用GPRS网络传输远程控制信号，最终将控制信息发送到终端节点；终端节点由射频模块、电机驱动模块等组成.此外，橱窗内部还配有背景灯控制、液晶屏及橱窗安全防护电路等.用户手机按指定格式发送短信，将橱窗控制命令通过GPRS网络发送到DTU，DTU再通过串口将命令传给主控终端(协调器).多个橱窗在主控终端的控制下组织成一个星型网络，主控终端负责将接收到的控制命令转发给网内的其他终端，相比其他终端，多了1个连接GPRS网络的DTU.

2　硬件系统设计

电子橱窗由于放置范围广(如室内、室外、墙边，电杆)，为适应较宽温度范围和不同天气条件，对控制电路提出了诸如硬件体积小、成本低等需要.为了提高系统可靠性，简化电路设计，主控芯片选择嵌入了51内核和ZigBee RF硬件的CC2430芯片[2-3]，如图2所示.橱窗硬件控制系统主要包括无线射频模块、电机驱动模块、串口通讯模块、光强检测模块、LCD显示模块和电源模块等.

图2　橱窗硬件控制系统方框

2.1 无线射频模块

电子橱窗系统一般由多个橱窗组成.为节省运行和维护成本，相距较近的橱窗采用ZigBee技术自动组织成1个局域网，共用1个DTU进行远程通信.该模块包含终端控制节点和协调器节点.相关应用电路通过ZigBee无线射频模块连通，实现橱窗动态控制，由于CC2430芯片集成了无线射频模块，所以射频模块只需完成接口部分设计.

2.2 GPRS通讯模块

GPRS通讯模块采用振鸿伟业的ZHD1X DTU作为GPRS无线通信模块，主要由MD251模块、SIM SOCKET模块、RS232串口模块和电源模块等构成.其中，MD251模块是可编程GSM /GPRS模块，支持GPRS数据传输、SMS控制、AT命令控制和UART串口中断，并预留了SIM卡接口和一系列的外部接口，可以方便实现GPRS与RS232之间的数据传输，具有远程管理功能，支持远程参数设置和程序升级[4].该模块应用DTU的短信传输功能命令格式见表1.

2.3 电机驱动模块

电机驱动模块采用TB6600HQ芯片驱动24 V无刷步进电机(图3).TB6600HQ是单芯片PWM斩波型双极性正弦步进电机微步驱动芯片，可控制2相步进电机正向和反向旋转，且带有待机功能.该芯片内置多种保护电路，时钟脉冲信号可以驱动，实现低振动、高效率工作[5].

表1　短信通讯命令格式

为避免主控芯片因反向电流过大而被烧坏，设计了光耦保护电路，在过流和过温保护输出端加上1个LED灯，用来指示芯片是否过流或者过温.考虑到节能和芯片的安全，在电流设置端加入由Q触发器组成的自动半流电流电路，使电流可根据输入的脉冲进行设置.

图3　步进电机驱动模块

2.4 其他功能模块

为减小检测错误，本系统中的光强检测模块设置了3组(图4).只有当3组电路同时作用时，该模块才作出相应的光调节反应.电源模块(图5)采用开关电源，供给电机压为24 V.该模块采用了DC-DC调压芯片LM2596和PS79533组合，分别提供5 V和3.3 V电压，供CC2430微控制器和相关电路使用.

图4　光强检测模块

图5　电源模块

3软件系统设计

3.1 主控终端程序

在ZigBee网络中，主控终端不仅通过DTU与移动控制终端进行通信，而且与网内其他终端进行无线通信.协调器的主要功能是建立ZigBee网络，实现控制指令的发送，并接收其他终端的数据，其主程序流程如图6所示.

系统上电后，首先进行初始化操作，即打开串口、定时器和各个I/O口的中断等，然后进行组网操作.通过超帧协调网络正常工作，查询串口是否有中断产生.如果有中断，判断该中断是否来自用户的控制消息，如果是，就对该信息进行解析与处理，执行相应的操作，即本地操作或将信息发送给其他终端.完成指定操作后，将运行状态通过GPRS网络反馈给用户.如果不是，就删除此消息.

3.2 终端控制节点程序

终端节点接收由协调器发送的控制信息，并做出相应的操作(如改变电机的转速、转向、周期等)，同时将橱窗实际运行状态回送给用户，主程序流程如图7所示.

系统上电后，首先初始化设备，网络接收协调器分配的地址，完成加入网络的流程；然后，查询中断是否收到协调器发来的指令，一旦检测到信息，即对该信息进行解析与处理，执行相应的操作，同时将该信息发送给LCD显示模块；最后，将运行状态反馈给协调器，发送回远程控制移动终端.本系统中，除了组网所需的控制帧以外，笔者定义了如图8所示的控制数据包格式.

图6　主控终端主程序流程

图7　终端节点主程序流程

图8　数据包格式

4　系统测试

(1)GPRS通讯建立及测试(图9).首先，设置DTU参数，将在线模式设置为“格式传输”，传输协议设置为“TCP”，短信编码方式设置为“7BIT”；然后，绑定手机号到DTU模块中，并向DTU串口发送数据“SMSA13681586260,10:1234567890”；最后，用户控制手机则收到短信“1234567890”，DTU同时返回“SMSS OK ”信息

图9　GPRS DTU参数设置界面

(2) ZigBee通讯测试.系统上电后，协调器完成组网操作，并显示本节点的设备类型和网络地址，这时可以允许终端节点加入到网络中.协调器接收到DTU传来的数据之后，立即将此数据转发给终端节点(图10).

图10　橱窗组网及数据传输结果

图11　橱窗控制系统硬件连接示意

(3)橱窗控制测试.橱窗控制系统硬件连接如图11所示(右边的橱窗为主控终端，左边的为其他控制终端).在橱窗的左侧和右侧内壁各贴上一个光敏电阻，上侧内壁贴上光敏电阻和震动传感器各1个.手机发送控制短信，如“1,0,0,12,2,1”，1 min左右后，广告页面开始顺时针滚动，且每2 min换1面广告，同时在LCD屏上看到“正转，12 s/圈，2 min/次”字样，当振动橱窗时，蜂鸣器发出响声，约1 min后，手机收到“DANGER!”信息.用光照射橱窗，打开的背景灯立即关掉；遮挡橱窗，关掉的背景灯立即打开.

5　结语

设计了一种基于ZigBee和GPRS技术的智能电子橱窗远程控制系统，通过手机短信控制橱窗的运行，LCD正确显示橱窗运行状态，背景灯能随着环境光的变化自动开关.橱窗在受到强烈振动的情况下，会发出警报声，且用户手机能及时收到报警短信.测试结果表明，本系统采用ZigBee技术组建无线电子橱窗网络进行通信，很好地解决了主控橱窗与其他各个橱窗间的无线通信，避免了繁杂的布线问题，扩大了滚动的橱窗信息量，具有较好的实用价值.

参考文献：

[1] 张培林.平面媒体的立体经营——关于报社设置新型多画面滚动灯箱式阅报栏的思考[J].今传媒,2007(11):26-28.

[2] 练方兴,鲍鸿,龙盛鹏.基于ZigBee的机房环境远程监控系统的研究与实现[J].电子技术应用,2012,38(1):66-69.

[3] 徐书芳,王金海,宫玉龙，等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计[J].电子技术应用,2013,39(8):80-83.

[4] 吴文忠,李万磊.基于ARM与ZigBee的智能家居系统[J].计算机与工程设计,2011,32(6):1 987-1 990.

[5] 王小强,欧阳骏,黄宁淋.无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社,2012:200.

Design of Remote Control System for Intelligent Electronic

Billboards Based on ZigBee+GPRS

LI Xianchun,ZHAN Jie,SUN Qihao，LI Hong

(College of Physics and Electronic Science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201,Hunan China)

Abstract:Aiming at the difficulty and insecurity in controlling the outdoor electronic billboards，the remote control system for intelligent electronic billboards has been designed based on ZigBee and GPRS.The core of the system is CC2430 microcontroller，and the ZigBee wireless sensor network is built by Z-Stack protocol stack to realize multipoint distributed control system.Furthermore,the collected vibration warning information is transmitted to the mobile terminal of users through GPRS telecommunication technique.This system can adjust the brightness of the backlight of the billboards.It is not only energy-efficient，but also reduces the light pollution.

Key words：remote control；ZigBee；GPRS；intelligent electronic billboards

(责任编辑陈炳权)