基于ZigBee和4G技术的门窗智能控制系统的设计

丁 琳，李蒙蒙



基于ZigBee和4G技术的门窗智能控制系统的设计

丁 琳，李蒙蒙

（江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院，江苏 淮安 223002）

介绍了基于ZigBee和4G技术相结合的门窗智能控制系统的软硬件设计方案，改变了传统的监控方式。系统以CC2530为微处理器，以ZigBee的无线自组网和4G无线网络技术为通信方式，实现了门窗控制的智能化。

ZigBee；4G；智能门窗；监控

0 引言

近几年，随着电子信息技术、通信技术和自动化技术的飞速发展，加速了物联网行业的技术发展。同时，随着人们物质生活水平的不断提高，人们对生活环境的智能化即智能居家系统的要求也越来越高，而实现门窗智能化是智能家居系统的基础和关键[1-3]。因此本文设计了一种基于ZigBee和Android的智能门窗控制系统。该系统不仅可以应用在居家场所，也可用在办公室和学校等场所，实现门窗的智能控制。

1 系统总体结构设计

由图1系统的总体结构框图可知，智能门窗控制系统由感知部分（主要是温湿度传感模块、风速传感模块和人体红外传感模块等）、控制部分、数据传输部分和远程监控部分组成。感知部分主要采集的数据包括温度、湿度、风速等外界环境数据，通过这些传感器收集室外的各类环境数据，为系统的智慧化提供数据基础；控制部分主要为窗帘、窗户等需要提供决策指令的设备，通过基于ZigBee的无线通信网，把从上位机上接收到的控制命令通过终端设备输出高低电平，进而来控制它们的开和关；数据传输部分是感知部分、控制部分和远程监控部分的设备接入以及数据上传和命令下发的纽带，感知部分采集的数据通过ZigBee无线传输方式上传给处理器，处理器通过4G无限传输给服务器；当有需求时，远程监控部分（即智能手机端）把控制命令通过4G下发给处理器，处理器再通过ZigBee无线传输把控制命令发给需要控制的窗帘、窗户等设备。

图1 系统的总体结构框图

2 系统硬件结构设计

2.1 室外温湿度传感器

本系统中检测室外温度和是否是雨雪天气均采用的是DHT11数字温湿度传感器，它的主要组成部分是NTC测温元件和电阻式感湿元件[4]，和本系统所用的8位CC2530开发板相匹配，能测量温度和是否是雨雪天气。该传感器读取数据便捷，功耗低，尺寸小，抗干扰能力强且价格较为低廉。如图2所示为DHT11温湿度传感器与CC2530的连接图，DHT11的第一引脚接3-5.5V的直流电源，在本文中 使用的是+5V的电源，第二引脚接CC2530的I/0口，第三引脚悬空，第四引脚接地。

图2 DHT11传感器与CC2530的连接电路图

2.2 风速传感器

本系统中风速的测量采用的是M288865风速传感器，该传感器采用碳纤维材料，具有强度高，启动好等特点。M288865风速传感器具备以下特点[5]：（1）检测头对环境风速最敏感，一般用来检测周围环境的风速，触发CC2530或继电器模块等；（2）检测头在环境风速达不到设定阈值时，2号数据端输出高电平，当外界环境风速超过设定阈值时，2号数据端输出低电平；（3）2号数据输出端可以与CC2530的I/O端口直接相连，通过CC2530来检测高低电平，由此来检测环境的风速改变，M288865传感器工作原理图如图3所示。

图3 M288865传感器工作原理图

2.3 人体红外传感器

HC-SR501红外传感器是通过红外技术自动感应，探头采用LHI778，拥有高灵敏度，可以在低压下工作[6-7]。在本系统设计中，用红外感应来是否有人非法进入。HC-SR501红外传感器的实物如图4所示。HC-SR501红外传感器模块采集的数据传输至基于ZigBee的CC2530处理器，CC2530处理器把采集的数据通过I/O口输出，并通过无线射频发送给ZigBee协调器。采集完数据之后，CC2530处理器通过RF发送给ZigBee协调器。

图4 人体红外传感器（HC-SR501）实物图

3 系统通信网络设计

通信网络的设计主要由ZigBee无线传输部分和4G数据传输部分这两个部分组成[8-9]。ZigBee无线传输部分主要负责把传感器节点采集的室外环境数据传输至处理器模块，处理器模块对接受的数据进行数据提取；4G数据传输模块主要负责把处理器模块提取的室外的环境数据通过4G网络传输至服务器，服务器应用层对数据进行处理分析，为用户提供决策。除此之外，对于从远程监控部分（即智能手机端）下发的控制命令，也需要通过4G网络和ZigBee网络去传输，进而对窗帘、窗户等设备进行操作。

3.1 ZigBee传输部分设计

ZigBee无线传输部分的核心模块使用的是CC2530芯片。CC2530芯片它所用的通信协议标准是IEEE802.15.4，并结合了先进的RF收发器。在本系统中ZigBee无线传输部分用的的CC2530的引脚主要有17号引脚、18号引脚、34号引脚和35号引脚，它们主要负责数据的接收和发送，主要用到的引脚功能如表1所示。不管是协调器把室外的环境数据通过串口发送给处理器，还是协调器通过串口接收命令，开始都需要对串口进行设置，即对起始位、数据位、停止位、传输速率及波特率进行初始化。本系统中，ZigBee通信协议主要分为命令头、地址以及数据，格式如表2所示。本系统中，ZigBee通信协议中的校验采用的是简单的去帧头帧尾之和。

表1 CC2530芯片用到的引脚功能介绍

Tab.1 Introduction to CC2530

表2 ZigBee通信协议命令格式

Tab.2 ZigBee communication protocol command format

3.2 4G传输部分设计

本设计中，服务器和智能手机终端接收处理器通过4G网络上传上来的数据[10-11]。4G网络使用的是中兴的ME3760通信模块。它不仅支持LTE TDD的2.6 GHz、2.3 GHz和1.9 GHz三个频段，还支持LTE FDD的2.6 GHz的频段，并同时兼容TD-SCDMA的2.1 GHz和1.9 GHz频段以及GSM的900 MHz和1800MHz二个频段。本设计通过处理器的UARTO(RXDO)、UARTO( TXDO)分别与EM3760 TXD1、RXD1相连，处理器通过串口AT命令实现对EM3760数据通信。处理器分别与ZigBee、4G部分的连接图如图5所示。

图5 CC2530、ME3760与处理器的连接图

4 结束语

系统采用Zigbe技术和4G技术的相结合，是数据短距离和长距离传输的完美集合[12]，既节约了成本，又实现的门窗智能控制的实时性、可移动性（通过智能手机终端控制）。这种物联网技术和移动互联技术的相结，将越来越多的应用到人们的生活和工作中。

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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

江苏财经职业技术学院校科研项目“基于ZigBee的门窗智能控制系统的设计”、江苏财经职业技术学院校大学生实践创新项目“基于ZigBee和Android的门窗智能控制系统APP的设计和实现”

丁琳(1980-)，女，硕士，讲师，主要从事传感器和电气控制方面的研究；李蒙蒙，女(1998-)，大专，学生，主要从事计算机应用方面的研究。

丁琳，李蒙蒙. 基于ZigBee和4G技术的门窗智能控制系统的设计[J]. 软件，2018，39（11）：36-38