基于zigbee技术的智能水浸系统设计-张贝贝.pdf

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1、2016年11月第37卷第11期计算机工程与设计COM PUTER ENGINEERING AND DESIGNNov. 2016Vol. 37 No. 11 基于ZigBee技术的智能水浸系统设计张贝贝,周祖荣(青岛科技大学信息学院,山东青岛266061)摘要:为方便用户实时监测家庭内漏水情况,设计一种基于ZigBee技术的智能水浸系统,能检测出室内厨、卫等易漏水位置的漏水情况,实时向手机用户显示漏水信息。提出一种基于ZigBee无线网络的协调器与终端设备的设计方案,以CC2530芯片作为ZigBee无线网络收发模块,由水浸传感器采集漏水信息,通过ZigBee技术传递至云端服务器,通过消息队

2、列遥测传输( M QTT)技术推送至手机客户端,实现手机端漏水信息的查看。该系统优化了ZigBee终端未能成功连接到网络时的寻网方式,有效降低了系统能耗。关键词:物联网; ZigBee;智能家居;水浸;消息队列遥测传输;低功耗中图法分类号: TP311. 52文献标识号: A 文章编号: 1000- 7024 ( 2016) 11- 3130- 06doi: 10. 16208/ j. issn1000- 7024. 2016. 11. 048收稿日期: 2015- 11- 23;修订日期: 2016- 01- 27作者简介:张贝贝( 1991 ) ,女,山东枣庄人,硕士研究生,研究方向为物联

3、网;周祖荣( 1956 ) ,男,浙江宁波人,副教授,研究方向为移动通信。 E- mail: 516458707 qq. comDesign of intelligent water logging system based on ZigBee technologyZHANG Bei- bei, ZHOU Zu- rong( College of Information Science and Technology, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)Abstract: To facilita

4、te the real- time monitoring of domestic water leakage, an intelligent water logging system based on ZigBeetechnology was designed, which detected the water leakage of indoor kitchen, bathroom and other easy- leakaged places, and dis-played real- time leakage information to the mobile phone users. T

5、he design scheme of the coordinator and end device based onZigBee wireless network was proposed. The CC2530 chip was used as ZigBee wireless network transceiver module, the waterleakage information was collected by the water logging sensor, then passed to the cloud server through ZigBee technology,

6、andpushed to the mobile client through message queuing telemetry transport ( M QTT) technology. The check of leakage informationon mobile phone was realized. The way of the ZigBee terminal finding the network is improved when it fails to connect to the net-work, and the power consumption is decrease

7、d significantly.Key words: internet of thing; ZigBee; smart home; water logging; M QTT; low power consumption0引言伴随ZigBee 2007协议的逐渐成熟, ZigBee技术在智能家居和商业楼宇自动化方面有广阔的应用前景,基于Zig-Bee技术自组网、高可靠性、低成本、低功耗、高安全性等特点,可以通过ZigBee网络对各种家用设备进行便捷控制 1- 6 。本设计通过ZigBee技术获取终端设备采集的数据,并进行远程管理与操作,为家庭智能化提供了有力的支持。1系统总体设计专业的漏水探测工

8、具一般用于检测地下管道的泄漏,需要专业技术人员操作。为方便用户外出时能远程实时监测家庭内部是否发生漏水的现象,本文提供了一种基于ZigBee技术的无线实时监测方案,在家庭内部组建ZigBee无线传感器网络,既免去复杂的布线工作,也非常利于系统功能扩展,同时将ZigBee网络采集的数据上传至M QTT代理服务器 7 ,通过M QTT技术 8推送至用户端,方便用户远程获取家庭漏水信息,系统如图1所示。1. 1系统组成与功能ZigBee智能水浸系统包括室内ZigBee无线网络和网关之上的外部通信网络两部分,主要由手机客户端软件、服务器、网关、水浸终端设备组成。1. 1. 1 ZigBee无线网络Zi

9、gBee无线网络是本系统最重要的部分,包括ZigBee协调器和ZigBee水浸终端设备,其中水浸终端分布于室内厨、卫等易发生漏水的位置,负责数据采集及发送;协调万方数据第37卷第11期 张贝贝,周祖荣:基于ZigBee技术的智能水浸系统设计图1系统器是ZigBee无线组网的核心,主要负责网络组建与维护,并将手机端的命令传递给ZigBee终端设备,同时将ZigBee终端采集的数据传递至服务器。为节约成本,本设计采用星形网络拓扑 9 ,网络由中心节点ZigBee协调器所控制,ZigBee协调器封装于网关内部,其它水浸终端直接与协调器进行通信。 ZigBee网络框架如图2所示。图2 ZigBee网络

10、框架1. 1. 2外部通信网络ZigBee网关连接ZigBee网络和外部通信网络,对网关内ARM处理器进行嵌入式Linux操作系统移植,上电后监听服务器请求和串口中断,使服务器可以和ZigBee网络进行通信 10 。一方面服务器从ZigBee网络设备获取监测数据;另一方面服务器对ZigBee网络进行远程管理。外部通信框架如图3所示。图3外部通信网络框架2 ZigBee网络模块硬件设计2. 1 ZigBee协调器协调器主要由CC2530模块、电源模块组成,并通过UART接口与ARM芯片AM 3352 11通信。 CC2530是由TI公司开发的用于嵌入式应用的片上系统,支持IEEE802. 15.

11、 4协议,内部集成增强型8051内核与高性能的R F收发器,能以非常低的材料成本建立强大的网络节点,存储容量多达256 K。ZigBee协调器与ARM处理器之间通过UART接口通信, UART通信参数设定如下:波特率: 115200 b/ s;数据位: 8 bit;停止位: 1 bit;校验位:无;硬件流控制:有。2. 2 ZigBee水浸终端水浸终端主要由CC2530模块,水浸传感器模块,电源模块组成。水浸传感器利用液体导电原理进行检测,通过电极检测是否有水,再经过传感器转换成干接点输出。干接点为一种无源开关,有断开和闭合两种状态,两个接点之间没有极性。正常情况下两极探头被空气绝缘,电路处于

12、断开状态;在浸水状态下探头导通,传感器输出干接点图4 ZigBee水浸终端原理1313万方数据计算机工程与设计2016年信号。水浸模块原理如图4所示。 ZigBee模块中I/ O口P0 _ 6引脚与水浸传感器连接,设置为输入模式和通用I/ O口,读取P0 _ 6的电平高低即可得到水浸传感器状态,高于预定值即没有检测到漏水,低于预定值则检测为有水。3系统软件设计基于ZigBee协议栈 12对ZigBee无线传感器网络进行开发。为实现ZigBee网络中协调器与ARM的双向通讯,定义应用层通讯协议的帧结构如图5所示。帧结构定义如下:FS:帧标识符,固定为“ ZGB” ; FL:帧的长度,FL= Le

13、n ( FCF+ Packet+ CheckSum) ; FCF:帧控制域;Packet:应用层数据信息; CheckSum:校验和。3. 1 ZigBee协调器的程序设计协调器节点上电工作后,手机端执行添加设备操作,即协调器开始组网,网络组建成功之后进入无线监听状态,接收到新的数据包后,解析数据内容,并作相应的处理,协调器程序流程如图6所示。图5 ZigBee与ARM通信应用层帧结构图6协调器程序流程3. 2 ZigBee水浸终端程序设计水浸终端模块上电后,初始化端口等各硬件部分,设置查询水浸状态的事件。待用户执行扫描设备操作后,水浸终端按低功耗机制搜索周围的ZigBee网关,自动加入网络中

14、,并上报设备电量和版本号给ARM 。同时设置一个定时器,隔一个随机时间后产生查询水浸设备状态的事件,将事件传递给相应任务后,调用事件处理函数去处理。水浸传感器采用壁挂式,传感器电极探头接触地面,读取当前CC2530的ADC寄存器电压值,当发生漏水时,地面上积水使得水浸传感器的探头电极导电,电路导通,电压为低电平;若没有发生漏水,则电平为高电平。水浸终端设备流程如图7所示。2313万方数据第37卷第11期 张贝贝,周祖荣:基于ZigBee技术的智能水浸系统设计图7水浸终端流程3. 3外部通信网络外部通信网络包括服务器与手机端通信和服务器与ZigBee网关通信两部分。除了网关设置阶段,手机App与

15、代理( Broker) 、后端服务器与代理、网关与代理之间均通过M QTT协议实现通信。( 1) App注册手机端App发送HTTP POST 13命令向服务器提交数据请求,将用户名和密码数据放置在HTTP包的包体中,提交给服务器,进行用户注册操作。用户首次注册账户时会获得一个系统唯一的siggle- signin令牌,令牌会在连接服务器阶段时使用,同时令牌被保存在本地。若用户使用其它手机端登录同一账号,则之前使用的手机端App将会与服务器断开连接,该手机将不能登录系统。( 2)网关设置连接成功后进入网关设置阶段, App通过UDP协议 14向局域网广播discover packet,发现网关

16、,网关监听广播获得discover packet,此时就获得了手机端的IP和端口号,可与App建立TCP连接;网关发送包含网关通用唯一识别码UUID ( universally unique identifier)的TCPpacket至App, App通过M QTT协议将包含网关UUID的packet发至服务器,服务器在数据库中保存网关的UUID,同时服务器产生一个密钥,网关之后需要用这个密钥来做认证。密钥封装在packet中发送至App,之后由App封装在TCP packet中发送至网关。网关获得连接服务器的密钥后,完成配置过程。( 3)网关连接服务器网关与服务器建立起连接,实际上是网关与B

17、roker建立了连接,网关与服务器之间的所有通信都是通过Broker实现的。服务器通过在Broker注册,把所提供的服务的方法与接口提供给客户端,客户端通过Broker可以知道服务器提供的服务,并且通过Broker来远程调用这些方法。后端服务器启动(很少发生)后会连接到Broker。网关通过给定的端口使用M QTT协议连接到Broker,并把UUID和密钥分别作为用户名和密码封装在M QTT CON-3313万方数据计算机工程与设计2016年NECT packet中,向Broker发送连接申请, Broker配置了验证插件,用来检查其是否与服务器数据库中的用户名/密码对一致,若找到匹陪,则网关

18、有效, Broker返回一个CONNACK packet,若不匹配则Broker关闭连接。若网关匹配,首先订阅信道,然后向服务器发送协议检测packet,服务器会检测两者之间是否使用彼此都支持的通信协议进行通信。服务器返回一个协议检测结果的packet,若协议匹配则可以连接,若不匹配则网关会关闭连接。( 4) App连接服务器App与服务器建立连接实际也是App与Broker采用M QTT协议建立连接。若用户注册成功,当启动应用程序时, App通过指定的端口连接至Broker,采用M QTT协议发送命令和读取数据。 App将账号和密码封装在CONN-CET packet中发送至服务器, Bro

19、ker使用验证插件对此账号/密码执行数据库查询,若用户有效则验证成功, Broker返回一个CONNACK packet,否则Broker关闭连接。 App订阅信道,并向服务器发送协议检测的packet,服务器会检测两者之间是否使用彼此都支持的通信协议进行通信。服务器返回一个含有协议检测结果的packet,若协议匹配则可以连接,若不匹配则App会关闭连接。3. 4终端寻网方式优化实际系统中,低功耗机制是针对终端节点而言的。终端节点在非正常工作状态下,如掉网或新设备首次上电,持续寻找网络会不断增加系统功耗,本系统优化终端找网方式,使用间歇性寻找网络的思路。网关定时发送查询终端版本号的命令,若连续

20、3次未收到反馈,则认为终端掉网。在终端寻网过程中,需要设置两个事件:( 1)加入网络事件M Y _ START _ NET _ EVT( 2)停止加入网络事件M Y _ STOP _ NET _ EVT找网期间,首先停止组网事件M Y _ STOP _ NET _EVT被设置,即调用停止加入网络函数ZDApp _ StopJoi-ningCycle( )使终端停止持续的寻找网络,设置计时变量1,计时4分钟后加入网络事件M Y _ START _ NET _EVT被设置,即再调用加入网络函数ZDApp _ StartJoiningCycle( )开始寻找网络,设置计时变量2,持续6秒钟的寻网操作

21、,若依然未成功加入网络,则停止组网事件M Y _STOP _ NET _ EVT再次被设置,循环直到成功加入网络。若循环找网持续24小时后依然未加入ZigBee网络,则变量1计时周期增加到1小时。模拟使用场景为:水浸设备进水一次,网关询问是否在线24次。由两节7号电池供电,工作电压3 V,统计系统正常工作下的功耗见表1。终端掉网后采用本方案中的间歇找网方式,功耗统计见表2。由表1和表2统计可知,本方案中改进的方式降低了系统功耗。在本方案下工作系统性能可以得到改善,延长了系统使用寿命。表1正常使用状态下的功耗ZigBee心跳包速率/ ms平均电流/ A1500 3003000 145表2间歇寻网

22、方式功耗状态初始上电或复位后寻网10分钟10分钟之后每隔4分钟寻网6秒钟平均电流/ mA 31. 74 0. 714结束语针对终端低功耗问题,本课题改进了ZigBee终端掉网后寻找网络的方式,采用间歇寻网的方案,优化了终端性能,有效降低了系统功耗。基于ZigBee无线技术开发智能水浸系统,充分利用移动终端的便捷性及ZigBee高效自组网能力,将家庭内漏水信息及时反馈给用户,提高家庭安防的信息化与智能化。本文实现了ZigBee无线网络中协调器模块与水浸终端的功能与设计及ZigBee网络间网络,研究了ZigBee网络与外部网络的通信机制及外部网络与手机客户端通信机制。下一步工作将继续完善系统功能,

23、提高系统性能,使其具有更大应用价值和更广阔应用前景。参考文献: 1 Gubbi J, Buyya R, M arusic S, et al. Internet of Things( IoT) : Avision, architectural elements, and future directions J . Future Generation Computer Systems, 2012, 29 ( 7 ) :1645- 1660. 2 Atzori L, Iera A, M orabito G. The internet of things: A sur-vey J . Computer

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