移動(dòng)端光照度采集程序設(shè)計(jì)

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關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；光敏傳感器

1引言

隨著Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和WIFI無線通信技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，人們對智能設(shè)備現(xiàn)場中傳感器數(shù)據(jù)采集和控制提出了更高的要求，通過常規(guī)有線通信方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，就會(huì)產(chǎn)生一定的弊端，同時(shí)維護(hù)成本也較高，而智能設(shè)備采用WIFI無線通信方式與移動(dòng)終端進(jìn)行交互，可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的無線局域網(wǎng)采集控制[1]。因此，本文提出一種基于ZigBee無線傳感模塊和ESP8266WiFI通信模塊，利用JAVA語言在Androidstudio開發(fā)平臺(tái)上編程，實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)光照度信息采集和步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)方案。首先構(gòu)建一個(gè)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，然后可以將采集的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)中ESP8266的WIFI模塊傳輸至移動(dòng)端App中實(shí)時(shí)顯示，另一方面可以通過移動(dòng)端發(fā)送控制命令至智能網(wǎng)關(guān)，并最終到達(dá)ZigBee終端模塊，以完成無線控制功能。

2總體設(shè)計(jì)

為了提高移動(dòng)終端通過WIFI通信方式對現(xiàn)場設(shè)備采集和控制的靈活性和可擴(kuò)展性，使采集控制設(shè)備更加智能化[2]，首先將帶有傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的Zigbee終端模塊與智能網(wǎng)關(guān)中ZigBee協(xié)調(diào)器模塊組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)Zigbee終端模塊將數(shù)據(jù)采集到之后，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能網(wǎng)關(guān)中的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，然后通過ESP8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊可以將采集到信息通過WIFI方式無線傳輸至移動(dòng)端設(shè)備上，反之，通過移動(dòng)端設(shè)備APP界面發(fā)送控制指令至智能網(wǎng)關(guān)WIFI模塊，繼而再通過ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，最后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)到達(dá)Zigbee終端模塊控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)備。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)模塊主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器模塊和ESP8266WIFI無線通信模塊組成，其中Zigbee協(xié)調(diào)器模塊采用德州儀器公司的CC2530芯片，芯片內(nèi)部已固化了ZigBee協(xié)議棧的物理層和MAC層[3]，這樣CC2530芯片通過運(yùn)行Zigbee協(xié)議棧建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)之后，能夠構(gòu)建適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。另外ESP8266WIFI無線通信模塊是一款超低功耗的UART轉(zhuǎn)WIFI的無線通信模塊，其硬件接口豐富，可支持STA/AP/STA+AP三種通信模式[4]，本文主要使用UART轉(zhuǎn)WIFI的RX和TX引腳接入CC2530芯片的P0.3和P0.2引腳，這樣就使得Zigbee協(xié)調(diào)器和ESP8266模塊進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸通信，另外WIFI無線通信方式采用AP熱點(diǎn)模式，即智能網(wǎng)關(guān)作為WIFI服務(wù)器，移動(dòng)端作為客戶端連接通過ESP8266模塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線采集和控制現(xiàn)場設(shè)備。

3.2Zigbee終端采集控制模塊硬件設(shè)計(jì)

Zigbee終端采集控制模塊有Zigbee模塊、光敏電阻傳感模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制模塊組成。光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低[5]，這里光敏電阻傳感模塊接入Zigbee模塊的P1_2引腳，通過檢測P1_2引腳的高低電平，可以判斷當(dāng)前環(huán)境是有無光照信息。

步進(jìn)電機(jī)控制模塊采用24BYJ48五線四相減速步進(jìn)電機(jī)+ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片，這里以ULN2003為例用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，只需要選擇Zigbee模塊的四個(gè)GPIO引腳P0.0、P0.1、P0.2和P0.3分別連接驅(qū)動(dòng)板的IN1、IN2、IN3、IN4，再用外置電源連接驅(qū)動(dòng)板的5V接口，并把電源和Zigbee模塊的地(GND)與驅(qū)動(dòng)板的(-)共線即可[6]，上述線路連接完成之后，就完成了整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的硬件電路搭建。

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1Zigbee無線傳感層設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心為Zigbee協(xié)調(diào)器，其上電啟動(dòng)之后負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)Zigbee終端采集控制模塊上電啟動(dòng)之后加入Zigbee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，一旦組網(wǎng)成功之后，一方面可以將采集到光照度信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)中的Zigbee協(xié)調(diào)器模塊，另一方面可以通過Zigbee協(xié)調(diào)器模塊發(fā)送控制步進(jìn)電機(jī)命令給Zigbee終端采集控制模塊，從而可以控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

4.2Android移動(dòng)端程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)端通過Androidstudio開發(fā)平臺(tái)，利用JAVA語言編程實(shí)現(xiàn)光照度信息采集，以及步進(jìn)電機(jī)控制[7]。一方面Zigbee采集終端控制模塊周期性的采集光照度信息，通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)中Zigbee協(xié)調(diào)器，然后經(jīng)過ESP8266WIFI模塊以WIFI方式至移動(dòng)端，另一方面移動(dòng)端發(fā)送控制命令給智能網(wǎng)關(guān)，在經(jīng)過Zigbee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)Zigbee采集終端控制模塊，這里可以選擇手動(dòng)方式和聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

移動(dòng)端App客戶端程序通過編程實(shí)現(xiàn)Socket套接字對象連接服務(wù)器端智能網(wǎng)關(guān)ESP8266WIFI模塊Socket套接字對象，一旦連接成功之后，開啟接收線程，實(shí)現(xiàn)光照度信息數(shù)據(jù)在receiveThread線程中實(shí)時(shí)接收。這里通過自定義AutoControl函數(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，如果檢測到當(dāng)前環(huán)境有光照，ESP8266WIFI模塊向Zigbee協(xié)調(diào)器模塊自動(dòng)發(fā)送“297”字符串命令，并通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)到達(dá)Zigbee終端模塊控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，反之發(fā)送“2A7”字符串命令控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

5系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證Android移動(dòng)端運(yùn)行界面能夠正常采集光照度信息和控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)備，首先將帶有光敏電阻傳感器和步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)備的Zigbee終端節(jié)點(diǎn)與智能網(wǎng)關(guān)中Zigbee協(xié)調(diào)器組成一個(gè)星型無線傳感網(wǎng)絡(luò)[8]，然后將移動(dòng)端WIFI網(wǎng)絡(luò)連接到智能網(wǎng)關(guān)ESP8266WIFI模塊的AP熱點(diǎn)中，最后運(yùn)行光照度采集控制程序，如圖6所示，在界面上通過WIFI網(wǎng)絡(luò)無線通信實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的光照度信息采集和無線控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)備[9]。通過驗(yàn)證和測試，性能穩(wěn)定，功能符合要求。

6結(jié)論

文中基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ESP8266WIFI平臺(tái)，提出了一種光照度采集控制系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)了Zigbee協(xié)調(diào)器模塊和ESP8266WIFI無線通信模塊組成智能網(wǎng)關(guān)模塊，結(jié)合Zigbee節(jié)點(diǎn)之間通信，實(shí)現(xiàn)Android智能終端進(jìn)行無線光照度采集控制功能。運(yùn)行試驗(yàn)表明：基于Zigbee無線傳感技術(shù)和ESP8266WIFI平臺(tái)的移動(dòng)端光照度采集控制系統(tǒng)具有通信可靠、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者：王浩 單位：蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與服務(wù)外包學(xué)院