高尚欣 孙培岩 满长忠 唐运榜
（大连理工大学，辽宁 大连 116000）
我国国民生活水平逐渐上升，环保健康的生活理念不断深入人心，人们对于室内环境品质有了更高的要求。新风除湿系统的引入，弥补了空气净化器只能在室内自循环的缺点，结合通风设施和过滤系统，可有效改善室内空气质量[1]。文章基于ZigBee技术进行新风除湿控制系统的开发设计，结合嵌入式、无线传感网络技术以及云服务，实现对新风除湿系统的远程监测和智能控制。
新风除湿控制系统设计包括家居无线传感网络和系统控制端，控制端包括家居中央控制面板以及手机App移动控制端，系统整体架构如图1所示。
图1 系统整体架构
文章采用ZigBee技术搭建家庭无线传感网络，将各个传感器和新风除湿等终端控制模块接入ZigBee网络节点，在网络中进行数据采集和传输。将采集的家居环境信息和自身状态信息、网络状况上报家庭网关，并接收控制端命令、网络配置等信息，并在家居无线传感网络内部数据路由，保证目的设备接收并执行。
文章采用物联型串口触摸屏作为系统的家居中央控制面板，通过串口和ZigBee无线传感网络中的协调器进行通信，从而获取家居环境数据信息并在显示屏中展示，同时通过面板触控下发控制命令。物联型串口屏可以通过内置WiFi模块连接阿里云平台，为家庭网关和云平台建立远程通信，依托阿里云生活物联网平台进行手机App开发，实现对新风除湿系统的远程控制以及控制端的远程通信同步。
2.1 无线传感网络整体设计方案
无线传感网络集成了监测、控制以及无线通信技术的多跳自组织无线网络，可以将一系列空间分散的传感器节点通过自组织网络进行无线连接，将各自采集的数据通过网络进行传输汇总，实现对网络覆盖区域内环境状况的协同监控，并执行分析和处理[2]。
ZigBee是由ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4建立的技术标准，是一种新兴的近距离、低功耗、低复杂度、低成本、自组网且可靠较高的无线传感网络技术[3]，可以嵌入各类型设备中，广泛应用于工业控制、传感监控、智能家居和智慧农业等领域，是目前最适合无线传感网络接入端的无线通信技术。
在进行ZigBee无线传感网络设计开发时，硬件方面需要支持ZigBee 底层协议，软件方面需要ZigBee协议栈的支持，ZigBee协议栈主要负责完成网络建立、数据路由等通信功能，硬件芯片模块则负责承载协议栈的运行并完成相关的数据采集和终端控制功能。文章采用以CC2530无线射频芯片为核心，执行Z-Stack协议栈的设计方案，建立ZigBee无线传感器网络。
2.2 ZigBee无线传感网络软件实现
协调器和终端设备工作流程如图2、图3所示，根据流程进行ZigBee软件的设计开发。
图2 协调器工作流程
图3 终端设备工作流程
在ZigBee无线传感器网络中，协调器节点将作为系统的采集节点，而终端设备节点依据功能分为传感节点和控制节点两种类型，通过建立星型拓扑结构网络形成无线连接，建立绑定关系。终端传感节点通过连接各类传感器，获取环境温湿度、空气质量等外界信息，协调器采集节点负责接收ZigBee网络中各终端传感节点信息，通过串口将采集的数据上传至网关，协调器也接收系统控制端发出的新风除湿控制命令，并转发至终端控制节点具体执行。
协调器节点作为采集节点在上电激活后负责建立网络，同时作为无线传感网络的核心，负责配置节点网络信息、进行网络拓扑管理以及信息上报网关等功能；
终端设备节点在上电启动后加入网络，自动发起绑定请求，与采集节点建立绑定之后，传感器节点将采集的环境信息发送至协调器采集节点，控制节点将接收并执行协调器节点转发的控制命令信息。
2.3 ZigBee无线传感网络硬件支持
协调器节点作为无线网络的总控制器，主要负责网络管理、节点绑定以及信息上传网关等功能。为保证充足的存储资源和计算能力，应在CC 2530最小模块的基础之上，增加供电电路、JTAG接口、按键等关键电路，就可以充分满足ZigBee协调器的硬件需求。
终端设备节点作为无线传感网络的传感设备和执行器，主要负责环境信息采集和终端控制等具体功能，当上电激活加入网络并和协调器建立绑定关系之后，需要进行稳定的数据采集和传输，并能够灵活迅速地执行控制命令。在终端节点硬件设计时，应保证硬件能够实现稳定组网、入网以及无线数据传输等网络通信能力，需要准确的信息感知模块以及灵活的控制模块。
文章采用DHT11数字温湿度传感器采集家居环境温湿度数据信息，DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，并且采用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以此确保产品的高可靠性[4]。此外，本文使用SGP 30气体传感器采集室内空气质量信息，其中最主要的是测量CO2和TVOC浓度。
终端控制节点作为执行器接收控制端命令对新风除湿系统进行控制，因此控制节点要实际接入各新风除湿机组的控制端，并通过继电器电路等中继控制模块驱动各个机组，控制新风除湿开关、风速调节以及模式切换等具体功能的实现。
完成协调器节点、终端传感节点和控制节点的硬件设计之后，通过JTAG接口将程序依次烧录至各个ZigBee设备节点，上电激活之后即可组成ZigBee无线自组织网络，实现家庭范围内各个传感设备和控制设备之间协同工作。
新风除湿系统具有家居中央控制面板控制和手机App远程控制两种控制方式。文章采用广州大彩物联型串口触摸屏作为新风除湿控制系统中央控制显示面板，通过串口和ZigBee无线传感网络中的协调器进行通信，从而获取家居环境数据信息并在显示屏上直观展示，同时通过面板触控下发控制命令，使新风除湿系统的监测与控制更加直观、方便和快捷。此外，物联型串口屏可以通过内置WiFi模块和阿里云平台进行数据交互，并且依托云平台进行手机App开发[5]，实现对新风除湿系统的远程控制。
家居控制面板开发过程中，控制面板界面UI设计以新风除湿系统控制端的功能实现为导向，进行功能导航图标和背景设计，同时对主界面和各个功能界面进行合理布局，使用Visual TFT工程软件进行功能开发，利用按钮、开关、菜单栏、二维码等组态控件实现系统的功能需求，以LUA脚本语言进行复杂逻辑功能和物联网应用开发。
新风除湿控制系统中央控制界面如图4所示。
图4 新风除湿控制系统中央控制界面
作为新风除湿系统的家居中央控制面板，可以在屏幕上实时监测室内环境信息，包括温湿度、空气质量等，通过控制中心对新风除湿系统进行开关控制、风速调节和辅助功能管理，能够自由切换新风除湿系统工作模式。作为家庭网关，中控显示屏可以连接室内WiFi，与阿里云端服务器建立连接，实现手机App远程通信。
手机App界面如图5所示。
图5 手机App界面
使用阿里云提供的生活物联网平台进行手机端App开发，创建新风除湿系统项目和产品，根据新风除湿系统的实际功能需求对系统属性进行功能定义，包括设备的属性、服务和事件，之后进入人机交互模块设计开发配置手机App，完善新风除湿系统各个功能模块，同时和家居中控显示屏建立关联，并提高整体的界面美观性。App开发完成后可进行设备调试和产品发布，添加串口屏设备和App建立关联，选择对应的WiFi芯片模组，获取阿里云平台生成的设备激活码（三元组），并通过LUA脚本配置将其烧录至屏幕。串口屏在连接WiFi之后，扫描显示屏云端界面二维码可将手机App和串口屏之间建立绑定关系，手机App可通过云端服务器向串口屏下发数据命令，同时屏幕的控制状态和参数也会上传至阿里云服务器，移动端同步更新，实现设备终端和手机App端的远程通信。
文章基于ZigBee的新风除湿控制系统搭建了组网灵活、可扩展的家庭无线传感网络，能够使数据的路由传输更加安全可靠，还可以集成更多家居家电的控制系统进行协调控制，提供了更加人性化的交互界面以及远程智能控制系统，兼顾了家居中央控制面板和手机App远程控制两种控制方式，有效完成了设备-云端-App的互联互通。
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