CN105605665A - 一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，包括主控芯片，在主控芯片的输入端设置ZigBee协调器及CC2530射频模块，在每间房屋的电暖器上设置传感器，ZigBee无线传感器节点与对应的传感器连接，ZigBee无线传感器节点通过无线连接方式与ZigBee协调器及CC2530射频模块连接，在主控芯片的输出端依次设置以太网芯片和PC监控中心装置，本发明将测量的环境温度、烟雾等信号传递给STM32单片机，STM32对这些数据进行智能处理，然后发出指令做出控制。同时数据通过无线传感器网络传输到监控中心，监控中心对这些数据进行分析处理，安保人员通过这些数据对人们电暖器使用情况进行监控，加强了电暖器使用的现代化信息管理以及提高了工作效率。

Description

一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置

技术领域

本发明涉及自控控制技术，尤其是一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对生活质量的要求越来越高，在追求舒适生活的同时，最重要的是人们的生命安全。在天气寒冷的时候，人们会配备一些加热装置来御寒，比如空调、电热毯、电暖器等等，在享受这些电器设备带来温暖的同时人们往往忽略了安全。市面上出售的电暖器，大多都是机械式的，只有开和关的简单功能，完全不符合电器使用的安全标准。特别是当人们在夜里睡觉的时候，往往是长时间开着电暖器，这就导致电暖器温度过高而引发火灾，给人们的生命和财产带来了重大的安全隐患。为了解决这一现象设计出一种智能的电暖器设备。

由于多线路会给电暖器的使用带来更多的安全隐患，而且使用也不方便，所以考虑把无线技术运用到数据传输当中。而常用的无线技术中ZigBee技术以其低功耗、低成本、低速率等优点，成为了最炙手可热的无线通信技术之一，广泛应用于家庭智能化、工业控制等众多领域。如今电暖器大多都是机械操作，而且都是建立在线缆连接的基础上，往往体积和功耗大，增加了电暖器使用的风险，已经越来越不适应当今实时、连续、长时间地工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单，工作稳定的基于ZigBee技术的电暖器控制装置，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：

一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，包括主控芯片，在主控芯片的输入端设置ZigBee协调器及CC2530射频模块，在每间房屋的电暖器上设置传感器，ZigBee无线传感器节点与对应的传感器连接，ZigBee无线传感器节点通过无线连接方式与ZigBee协调器及CC2530射频模块连接，在主控芯片的输出端依次设置以太网芯片和PC监控中心装置。

前述的一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置中，所述主控芯片采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路传感器信息传给主控芯片内。

前述的一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置中，所述传感器包括温度传感器和烟雾传感器。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明将测量的环境温度、烟雾等信号传递给STM32单片机，STM32对这些数据进行智能处理，然后发出指令做出控制。同时数据通过无线传感器网络传输到监控中心，监控中心对这些数据进行分析处理，安保人员通过这些数据对人们电暖器使用情况进行监控。当火灾之前，安保人员可以迅速赶到现场进行告知以及及时做好救火措施，极大地给人们的生命安全和财产提供保障，加强了电暖器使用的现代化信息管理以及提高了工作效率。

附图说明

附图1是本发明的结构框架图；

附图2是本发明中无线传感器网关协议转换模型图；

附图3是本发明中协调器组网流程图；

附图4是本发明中STM32结构框图；

附图5是本发明中电源模块电路图；

附图6是本发明中以太网网关原理图；

附图7是本发明中PC监控中心装置上显示器的按键和LED电路原理图；

附图8是本发明中STM32余传感器连接原理图；

附图9是本发明中控制软件流程图；

附图10是本发明中网路协调器节点软件流程图。

具体实施方式

本发明的实施例：一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，如附图1所示，包括主控芯片1，在主控芯片1的输入端设置ZigBee协调器及CC2530射频模块2，在每间房屋的电暖器上设置传感器3，ZigBee无线传感器节点4与对应的传感器3连接，ZigBee无线传感器节点4通过无线连接方式与ZigBee协调器及CC2530射频模块2连接，在主控芯片1的输出端依次设置以太网芯片5和PC监控中心装置6。

其中该主控芯片1采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路传感器信息传给主控芯片内，该传感器3包括温度传感器和烟雾传感器。

本实施例的原理是：本实施列中的ZigBee综合信息网关是建立在应用层上的协议转换器，连接ZigBee无线网络和以太网，其无线传感器网关协议转换模型如图2所示。ZigBee传感器节点将采集到的数据按照ZigBee通信协议传送到网关，网关上的ZigBee协调器节点负责解析数据的有效载荷，再交由STM32处理器控制以太网卡芯片ENC28J60负责将数据发送到以太网上。

ZigBee综合信息网关的工作流程为：首先由整合在网关内的ZigBee协调器节点组建一个ZigBee网络，终端传感器节点会自动搜索空间中的ZigBee网络，找到后加入到该网络中。当远程监控计算机需要获得某一个传感器节点的数据时，只需要向以太网接口发送相应的节点地址和控制指令。网关通过以太网接口获得远程计算机的指令后，就会通过ZigBee协调器向相应的传感器节点发送控制指令。传感器节点收到命令后便沿源路径的相反方向将传感器的数据发回远程监控计算机。

具体硬件设计

一、ZigBee无线传感网络设计

1、ZigBee无线网络拓扑结构的选择

ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，分别依次是星状网络，树（簇）状网络和网状网络。对这三种网络拓扑结构进行比较，对星状网络来说，子节点完全可以由电池供电，耗电量比较大的就只有协调器一个；而对于树状与网状网络来说，它的一个协调器和多个路由器都需要大量的电能；在可靠性上，由于星型网络的结构简单，子节点直接与协调器相通信；其他两种网络要经过路由传送，一旦路由节点瘫痪，子节点将失去与主节点的通信；星型网络传输时延要小于对等网络；最重要的是星型网络造价更低。本设计选择星形网络。

综上分析，考虑到本设计是在居民小区环境下通过设计所采集到的温度、烟雾等信息来验证所设计系统的可行性及一些基本性能，为今后的进一步研究打下基础，因此不需太复杂的网络设计。所以本设计选择星型网络作为无线传感器网络的拓扑结构，来实现无线电暖器监控系统设计。

2、ZigBee无线网络的组建

协调器节点组网流程如图3所示，当FFD协调器设备被激活后，首先进行对物理层所默认的有效信道进行能量扫描，以检测可能存在的网络重叠及PANID冲突干扰。并对检测到的信道按能量值进行信道排序。然后执行主动扫描过程以选择唯一的16位PANID，建立自己的网络。当一个新网络被建立后，ZigBee路由器与终端设备就可以加入到该网络中了。

新网络建立后，所有其它节点(FFD或RFD)均作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通信范围内的网络。如果找到网络，节点根据所获取的网络信息选择一个父节点提出入网请求，并等待父节点的请求响应。父节点接到一个入网申请后，将根据请求信息做出是否允许加入网络的判断，若允许加入，则父节点发出请求响应，通知子节点。子节点收到请求响应后，将得到一个父节点分配给它的一个16位网络地址作为在网络内的唯一身份标识，至此节点成功加入该网络。这样通过一级级的网络地址分配，网络区域内的所有节点将组成一定形式的网络结构。

3、星型网络的组建与通信的实现

本设计是以CC2530协调器将采集的温度、烟雾信息数据通过以太网发送到监控计算机，以此来验证本系统的可行性，协调器采用星型网络与各节点间通信的实现。CC2530协调器通过NLMENETWORKFORMATIONrequest原语来组建一个新网络：协调器上电后，首先初始化协议栈，然后网络层通过发送MLMESCAN原语到MAC层对各个候选信道的峰值能量进行检测扫描，结果通过MLMESCANconfirm原语返回，协调器利用这一信息选择合适的信道。选择合适的信道后，则建立一个自己的网络并选择一个唯一的标示符(PAN标识符)，并通过MLME原语将其写为MAC层的MACPANID属性。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此时网络层管理实体向MAC层发出MLMESTART原语开始运行新的网络，此后即可允许终端节点的ZigBee设备与其连接，接受它们传输的各节点的数据，并通过以太网将其传输给监控PC进行处理。如果有异常情况，监控中心会及时报警，安保人员就可以及时采取相应的防火措施，来避免火灾的发生。

终端节点上电后，首先应用层向网络层发送NLME_NETWORK_DISCOVERY原语，原语中包含需要扫描的信道参数和扫描时间参数，网络层收到原语后，向MAC层发送MLME_SCAN_request原语请求MAC层执行主动扫描。MAC层在扫描过程中一旦接收到有效长度不为零的信标，将向网络层发送MLME_BEACON_NOTYFY_indication原语，网络层接收到原语后向应用层发送NLME_NETWORK_DISCOVEIW_confirm原语，收到该原语后，应用层即得到了当前邻近的网络情况，选择一个网络加入。然后发送NLME_JOIN_request原语，设置欲加入的网络PAN标识符参数，接着网络层向MAC层发送MLME_ASSOCIATE_request原语用于连接网络，如果连接成功，网络层将收到MLME_ASSOCIATE_confirm原语确认网络连接成功，并把新连接的设备增加到邻接表中，接着网络层向应用层发送MLME_JOIN_confirm原语，终端设备成功加入网络。终端采集节点加入网络成功后，它即通过协调器发送的信标与协调器实现同步，开始按周期采集各自数据值，并将数据传送给协调器。

二、STM32嵌入式模块设计

系统的是以内部集成以太网MAC的STM32微处理器STM32F103ZET6为核心，以太网控制芯片ENC28J60，网口变压器H1102NC，存储器SD卡，显示模块和数据采集等模块组成。结构如图4所示。

由于本文设计的是一种基于STM32内核的ZigBee无线电暖器监控系统，实现ZigBee无线网络与以太网的通信问题。网关在ZigBee网络中主要以协调器的方式存在，再通过STM32的以太网接口传送到监控中心。因此STM32模块可简化为数据采集模块，电源模块，控制模块和按键模块。

STM32工作流程是数据采集模块即CC2530协调器将数据发送到STM32进行处理，再通过以太网控制器ENC28J60将数据传送到PC机，实现对室内温度、烟雾等信息的实时监控。

三、系统硬件设计

系统的硬件平台是以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103ZET6为核心，温度传感器、烟雾传感器、以太网控制芯片ENC28J60和CC2530为ZigBee无线收发模块等模块组成。ZigBee无线传感网络协调器CC2530和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信，构成无线电暖器控制系统。

1、ZigBee协调器的硬件设计

ZigBee协调器模块采用TI公司生产的CC2530芯片来设计，CC2530芯片不仅具有符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz无线射频前端，而且在片内集成了一个8位的8051MCU，有8路输入并可配置的12位ADC、4个定时器、21个可编程I/O引脚等资源。

为构建一个完整的ZigBee协调器，外围电路需要32MHz晶振XTAL1为内部微处理器提供时钟源，射频部分需要有高精度的电感(L321、L331、L341)、电容(C341)和PCB微波传输线来匹配RF输入输出的阻抗。其中CC2530的串口引脚(P0_2和P0_3)与STM32的UART串口(PA_2和PA_3)引脚相连。

1、晶振设计：CC2530工作需要两个时钟晶振，第一个为32MHz，为无线收发提供时钟；第二个为32.068KHz，为睡眠模式提供时钟。C191和C211为32MHz晶振的负载电容，电容值取决于负载电容的大小，CL=I／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值为16pF，C伪2～5pF，保证晶体振荡器的产生频率的准确和稳定。所以C19l和C211的典型值为27pF。

2、偏置电阻设计：R261为电流基准发生器的精密电阻。其值为43K欧姆。

3、不平衡变压器：由电容C341和电感L341、L33l、L321以及PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出阻抗匹配(50Q)的要求。

4、电源的去耦：如去耦电容C421用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。

1）、电源模块设计

电源模块采用的是低功耗电源芯片LP2985，该芯片通常用于电池供电的场合(如便携式数码照相机)，能够保证150mA的输出电流，极低的漏电压，输出电压精度为0.01V。输入电压范围为4~10V，输出电压范围2.5~5V。实际应用中选用LP2985-3.3V稳压芯片。电路图见图5。

2）、UART串行接口电路设计

为了实现传感器网络协调器与以太网的通信，即将协调器采集到的数据通过以太网传输给监控计算机，须设计UART串行接口电路。CC2530的串口引脚(P0_2和P0_3)与STM32的UART串口(PA_2和PA_3)引脚相连。

3）、调试接口电路设计

在协调器节点电路板上有十针的下载器接口电路，用于下载程序调试，其中Pin3和Pin4是下载线，Pin1为PWR（3.3V电源），Pin2为GND（接地）,Pin8为RESET（复位）。其余接口是扩展的I/O口。对应到CC2530的接口分别为：

Pin5：RXD0-CC2530P1_5;

Pin6：RXD0-CC2530P1_4;

Pin7：RXD0-CC2530P1_6;

Pin9：RXD0-CC2530P1_7;

2、以太网网关的硬件设计

本设计采用意法半导体生产高性能的ARMCortex—M3内核的STM32系列处理器STM32F103ZET6作为嵌入式以太网网关的处理器。其主频可达72MHz，内高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。这些丰富的外设配置可满足本设计需要。

以太网接口芯片采用美国Microchip公司的独立以太网控制器ENC28J60，它采用速度高达10Mb/s的SPI接口作为通信通道，方便与STM32处理器相连，极大地降低了PCB布线的复杂度。ENC28J60内部集成了兼容IEEE802.3规则的MAC层和物理层控制器，它的可编程分组过滤功能和高速SRAM缓冲器可高效的接收、存储、收发数据包，减轻STM32处理器的处理和内存负荷。其中以太网网关原理图如图6所示。

1）、调试接口电路设计

在STM32嵌入式以太网网关电路板上有程序调试接口电路，通过J-LINK仿真器下载程序调试，其中Pin1为SWDCLK，Pin2为SWDIO，Pin3为GND（接地）。对应到STM32F103ZET6的接口分别为：PA13—46脚，PA14—49脚。

3、液晶触摸控制器

本设计中加入了STM32的FSMC接口来驱动LCD屏，使用触摸屏控制器检测触点坐标。实现液晶屏上对组网的情况进行动态地实时显示，以及触摸输入控制组网。STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏和触摸屏。本设计使用ILI9341芯片控制液晶屏，通过TSC2046芯片控制触摸屏。

触摸屏常与液晶屏配套使用，组合成为一个可交互的输入输出系统。除了熟悉的电阻、电容屏外，触摸屏的种类还有超声波屏、红外屏。电阻屏的基本原理为分压，它由一层或两层阻性材料组成，在阻性材料的一端接参考电压Vref，另一端接地，形成一个沿坐标方向的均匀电场。当触摸屏受到挤压时，阻性材料与下层电极接触，阻性材料被分为两部分，因而在触摸点的电压，反映了触摸点与阻性材料的Vref端的距离，而且为线性关系，而该触点的电压可由ADC测得。更改电场方向，以同样的方法，可测得另一方向的坐标。

4、按键与LED

为了方便软件的调试，本设计采用了3个LED灯来指示程序运行状态，通过按键设定ZigBee组网的模式。PE5和PE6分别接的是KEY1和KEY2，低电平检测有效。PC3、PC4、PC5分别接LED1、LED2、LED3，当IO口给低电平时LED亮。其原理图如图8所示。

5、STM32与采集模块硬件电路

本设计主要通过STM32ZET6对温度、烟雾等信号进行实时采集，并对采集的数据进行分析。当电暖器长时间工作，导致温度过高，超过安全的温度范围，STM32就会发出警报通知用户。如果用户不在或者熟睡的情况下，一段时间报警过后，监控中心的安保人员就会对报警用户采取措施。如果出现火灾，烟雾报警器会及时采集到烟雾异常，并通过Zigbee网络告知相邻的节点用户，同时上传给监控中心。多种安全措施保证了电暖器的使用，给人们的生命和财产都带来了保障。这部分的原理图如图8所示。

为更好的显示本实施列中装置的连接关系及应用，采用一套与本实施列中装置相配合的软件来具体描述，

四、系统的软件设计

1、STM32电暖器控制软件设计

本设计通过STM32ZET6对外界的温度以及烟雾信息进行实时采集，将采集的信号分别与设定的范围进行比较，然后做出相应的操作；同时通过Zigbee网络将数据上传到监控中心，方便安保人员实时了解各个用户电暖器使用情况，做好火灾的预防和灭火措施。其软件流程如图9所示。

如图9所示，当温度不在安全范围，就会报警告诉用户；当烟雾出现异常，很可能是着火了，这时STM32ZET6通过控制继电器，实现电暖器的断电，但是可能有火灾所以要及时通知安保人员赶赴现场灭火。

2、ZigBee协调器软件设计

本设计用了TI公司免费提供的Z—Stack2006协议栈作为CC2530协调器的开发平台，Z—Stack2006协议栈的开发主要是对应用框架层（AF层）和应用支持子层（APS层）的修改，并相应地添加自己的驱动程序；网络层是以库的形式提供，通过调用接口函数可以加入网络和查询网络的状态，MAC层和物理层也不需改动。

1）、ZigBee协调器的工作流程

ZigBee无线传感网络协调器上电后首先对CC2530进行初始化，然后创建一个无线网络，选定一个PANID作为协调器的网络标识，创建路由表，然后对外发布广播帧，通知传感器节点可以加入该网络。当有子节点申请加入时，为每一个子节点分配地址。采集的数据通过UART传送到STM32处理器，由以太网卡芯片ENC28J60将数据发送到以太网上。网络协调器节点软件流程如图10所示。

五、系统的总体测试

1、系统的总体测试

为了验证系统的性能，进行了一些测试，采集了电暖器室内的温度、烟雾信息。具体步骤和测试结果如下：

1）、调试平台的创建

在调试当中，硬件平台的搭建由3个无线终端设备实现。本设计的联合调试完全在现场完成。通过采集的信号处理，验证无线网络传输数据的正确性、稳定性以及监控PC机是否能够对采集到的数据进行正确管理。室温值采用ZigBee无线终端模块上配置的温度传感器TISC506来采集。整个系统的硬件采用如下搭配：3个无线终端设备，其中一个为本设计的网络协调器，另一个为网络的无线传感器子节点，采用STM32与以太网控制器实现功能。

2）、系统测试

创建整个系统的软硬件后，接着就是进行整体的调试以检验系统的各项设计指标。

星型网络通信效果和以太网数据管理功能的测试。

ZigBee星型无线通信网络构建后，协调器通过STM32网关的控制，对传感器网络发出控制命令，终端节点按照命令进行数据采集并上传。

(1)通过监控系统向协调器发出A/D采样的参数，采样时间间隔和采样的通道后，传感器网络节点按监控系统规定的参数开始数据采集，并将数据汇集到协调器节点上传到STM32网关系统进行数据处理，并上传到监控中心。

(2)经过对比各终端节点传感器采集的数据结果和STM32网关以太网通信显示的结果，发现二者结果一致，证明本网关数据传输是准确的。而且对电暖器的工作情况能够准确判定，程序运行稳定。

六、总结与展望

作为一种全新的信息获取和处理技术，ZigBee无线传感网络有着不同于其他信息获取手段的优点，如无需固定设备支撑、可以快速部署、同时具有易于组网、不受有线网络的约束等。在传感器网络中，网关对于传感器网络的监控至关重要，对信息进行处理与反馈控制是传感器网络网关最重要的功能。

本设计通过无线传感器网络的应用，以室内电暖器作为应用对象，设计了基于STM32处理器的ZigBee无线传感监控系统，完成了基于ZigBee技术的电暖器I/O模块的硬件原理设计；通过对ZigBee协议栈的分析并结合CC2530的应用进行了系统的整体软件设计，完成了CC2530到以太网数据的通信，STM32对室内温度、烟雾信息实时采集。实现了对采集到的数据进行实时监控管理。最后对设计的系统行了测试，基本达到了预期目标，具有很好的应用价值。

上述方案的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用的发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施方案做出各种修改。因此，本发明不限于上述实方案，本领域技术人员根据本发明的方法，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，包括主控芯片（1），其特征在于：在主控芯片（1）的输入端设置ZigBee协调器及CC2530射频模块（2），在每间房屋的电暖器上设置传感器（3），ZigBee无线传感器节点（4）与对应的传感器（3）连接，ZigBee无线传感器节点（4）通过无线连接方式与ZigBee协调器及CC2530射频模块（2）连接，在主控芯片（1）的输出端依次设置以太网芯片（5）和PC监控中心装置（6）。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，其特征在于：所述主控芯片（1）采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路传感器信息传给主控芯片内。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的电暖器控制装置，其特征在于：所述传感器（3）包括温度传感器和烟雾传感器。