基于Zigbee的便携式电子呼叫系统设计

2022-07-23韩世杰韩成浩

吉林建筑大学学报 2022年3期

韩世杰，韩成浩

吉林建筑大学电气与计算机学院,长春 130118

0 引言

随着无线传感技术的发展,智能化生活逐渐受到人们的喜爱,Zigbee作为一种新兴的无线通信技术,展现出了良好的市场前景.为了提高餐厅服务的效率,减少取餐人员排队的时间,本文提出了一种基于Zigbee技术具有蜂鸣、震动和LED闪烁的无线呼叫取餐铃.

1 系统框架的设计

1.1 Zigbee技术简介

Zigbee协议是一种双向通信协议,不同于传统通信协议,它是针对低功耗、低传输率的无线网络设计的.该技术具有可靠性高、复杂度低、成本低、节点数多的特点,其节点数最多可达65 535个,这些节点模块组成一个无线网络传输平台,在这个无线传输网络中,每一个Zigbee节点模块都可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75 m进行无限扩展[1].

1.2 系统方案的设计

系统主要由终端呼叫装置和主动呼叫协调器装置(上位机)组成,终端呼叫装置(电子呼叫铃)包括震动模块、蜂鸣器模块、LED模块等(如图1所示);主动呼叫装置包括LCD模块、震动模块和CH340转串口模块等.

图1 系统框架Fig.1 System frame

本设计利用CC2530 模块,如餐厅食物制作完成后,通过主动呼叫发送一个请求经过路由网络发送给终端节点,终端节点在接收到请求后通过蜂鸣、震动和LED闪烁提醒顾客取餐,取餐完成后主动呼叫发送关闭请求,终端节点在接收到请求后,将关闭蜂鸣、震动和LED的闪烁进入休眠状态.

1.3 系统实现的功能

(1) 通过主动呼叫模块的按键控制被动应答模块的震动、蜂鸣、LED的闪烁和休眠.

(2) 通过OLED屏实现被动呼叫模块的工作情况正常与否.

(3) 通过TP4057和TSP73701芯片实现被动应答模块的锂电池充放电,为其提供工作电源.

2 系统硬件的设计

2.1 主动呼叫硬件的设计

主动呼叫和终端模块的核心采用了CC2530芯片,主动呼叫硬件设计所需元件见表1.处理单元采用CC2530芯片中自带的8051CPU,该处理器具有低功耗、高性能优势,其使用2.4 GHz全球公共频率和基于IEEE802.15.4协议的RF收发器[2].Zigbee分为5层,其物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准,而Zigbee技术联盟定义了网络层和API层[3],并对其进行标准化,开发了安全层,从而形成Zigbee协议栈.

表1 主动呼叫所需元件Table 1 Actively calls the required hardware

2.1.1 CC2530 主芯片

CC2530 芯片是一种集成芯片,是TI公司为无线传感网络而开发的,适用于2.4 GHz,IEEE802.15.4,Zigbee和RF4CE应用的真正的SoC解决方案.特别是它设置网络节点所需的材料成本非常低.CC2530将射频收发器的卓越性能与标准的8051CPU、系统可编程闪存、8KBRAM等许多其他强大的功能结合在一起.CC2530具有不同的运行模式,尤其适应超低功耗要求的系统[4].

本系统硬件采用CC2530F256芯片最小系统电路图(如图2所示),CSMA/CA硬件支持、21个通用IO接口,中断休眠功能和8KB SRAM超低功耗是选择该芯片的主要原因.

图2 最小系统图和蜂鸣、OLED电路Fig.2 Minimum system and beep,OLED circuit

2.1.2 震动模块电路

震动模块电路采用单通道直流电机和TC214B芯片驱动电路，如图3所示,单通道直流电机采用3610贴片电机,TC214B又称为单通道直流马达驱动器,采用单通道内置功率MOS全桥驱动,低导通电阻,具有过流保护作用.通过CC2530的P0和P1口控制TC214B的同时来控制直流电机的转动方向,直流电机转动方向控制是由CC2530输出的两路PWM同时刻的高低电平决定,速度控制是通过PWM的占空比决定.在震动电路中放置了一个LED灯,当震动电路工作时,LED灯和蜂鸣器也同时进行闪烁鸣叫,加强提醒.

图3 震动电路和LED警示灯Fig.3 Vibration circuits and LED warning lights

2.1.3 OLED显示屏

0.96寸的OLED模块采用SSD1306为主芯片,像素为128*64,IIC的通信方式,地址可选,接口简单.模块支持3.3 V～5 V电压供电，同时带有独特的稳压芯片,支持上电自动复位,它的屏幕小,在主动呼叫工作时所需功耗低,节约能源.

2.1.4 蜂鸣器电路

在硬件设计中,设计了蜂鸣器电路,当IO口输出高电平时,Q3导通,蜂鸣器进行蜂鸣报警；当IO口为低电平时,Q3截止,蜂鸣器不工作.蜂鸣器电路中,R7为限流电阻,R6作为下拉电阻防止蜂鸣器被烧坏.蜂鸣器在整个系统中发挥提示报警作用,当检测到终端异常时,主动呼叫中的蜂鸣器就会报警,并在OLED屏幕上显示异常终端的编号；而在终端中则作为提醒,当主动呼叫模块呼叫时,终端中的蜂鸣器蜂鸣,提醒顾客取餐.

2.1.5 USB转串口模块

为了程序下载方便,在硬件中引入了USB转串口芯片CH340G,在串口的方式下,CH340提供常用的MODEM联络信号,常用于计算机拓展异步串口,便于在Windows系统下进行串口应用的完全兼容,硬件是全双工串口,内置了收发缓冲区,它可以在3.3 V电压下工作,为主芯片供电.

2.2 终端的锂电池供电系统设计

终端与主动呼叫的区别在于供电系统的不同,主动呼叫使用5V电源的直插充电,而为了终端的便捷和携带,本系统采用锂电池供电系统,锂电池充电采用TP4057芯片,它可以给USB电源以及适配器电源供电,当输入电压为零时,TP4057就会进入休眠状态,电池漏电流将降到1 uA以下.

为防止过充,本系统采用具有反向电流保护功能的TPS73701低压降稳压器.与主动呼叫的天线设计不同,终端采用内置的陶瓷天线,为了接收到的数据更准确,本系统采用了2450BM15A0002E的天线滤波器.

3 软件设计

系统程序开发是通过Z-Stack协议栈和IAR开发环境完成,软件编程设计均在Z-Stack中的SampleApp基础上设计和开发,采用模块化编程更加便于程序的调试和下载.程序设计分为协调路由器和终端2部分编程,主动呼叫在执行完协调器的工作后,也充当了路由器的工作.

3.1 协调器节点程序设计

协调器是整个Zigbee网络中负责建立网络的部分,并将终端节点所收集到的数据发送到主动呼叫,在组网过程中,检测周围Zigbee网络[5],如果没有检测到网络,则创建一个Zigbee网络,组网成功后,其他节点便可加入,同时为其他节点分配网络地址，如图4所示.

图4 协调器流程Fig.4 Coordinator flowchart

在获得网络地址分配成功入网后,终端节点自动绑定到距离它最近的路由器节点,同时通过定时器中断函数,周期性的检测协调器发送的指令,当接收到协调器的指令后做出相应的应答,如果没有检测到指令,则终端始终处于休眠状态，如图5所示.

图5 路由节点与终端节点流程Fig.5 Route node and endpoint flowchart

3.2 终端与路由节点程序设计

3.3 上位管理界面设计

为了方便管理和简化流程,本设计利用Java编写了上位管理软件,在<呼叫管理系统>界面点击样品1、样品2进入二级界面选择编号,当确认编号后通过串口将命令传递给呼叫装置,确认呼叫装置的身份编码,当需要叫号后,可再次点击号码进行呼叫,取消.在软件的上层进行日期时间的显示美化,同时当节点丢失时,进行错误节点的提示,提高节点的防丢性防止节点丢失，如图6所示.