ZigBee控制系统论文

2022-04-24

摘要：针对传统教室用电器利用率低的问题，本文基于Zigbee设计了智能教室控制系统，通过Zigbee无线网络，对教室险情监控、人数统计、无线控制灯开关系统进行设计。以下是小编精心整理的《ZigBee控制系统论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

ZigBee控制系统论文篇1：

基于模糊机制的ZigBee无线网络控制系统的优化

摘要：无线网络作为通信网络的重要组成部分，近年来得到了飞速的发展，其灵活、节约、便利的特点受到了用户的广泛好评，尤其是在一些地形条件复杂的生产场合，如井下、矿山、森林等，无线通信的特长更是得到了充分的发挥，其作用无可替代。基于ZigBee的无线网络控制系统WiNCS属于自适应闭环控制系统，在工业生产中发承担着重要的远程控制作用，该领域的研究包含了计算机控制、人工智能和网络通信等多个学科。该文对目前无线网络控制系统存在的问题进行了分析和研究，并提出将人工智能领域的模糊机制同自动控制领域的PID技术相结合，生成一种新的混合型智能方法，对无线网络控制系统进行优化，有效提高了该系统的各项性能指标，具有一定的实用价值。

关键词：ZigBee 无线网络；控制系统；模糊机制 PID

1 无线网络控制系统概述

近年来，随着无线通信技术的不断发展，无线网络的覆盖率迅速扩大，目前已经广泛的被应用在工业生产、国防科技、医疗卫生、城市交通等各个领域，为我国生产力的发展和百姓生活提供了便捷、灵活、高效的信息通信服务。尤其在各种工业控制场合，无线网络更是因为其特有的优势成为了一种不可替代的远程控制系统的传输媒介，目前，无线网络控制系统（WiNCS）已经逐渐成为了自动控制领域发展的主要方向，根据无线网络的分类，将该系统分为基于IEEE 802.1 lb协议的无线局域网络控制系统和基于IEEE802.15.4协议的无线ZigBee网络控制系统，前者一般用于普通用户数据传输，带宽较大，但是成本相对较高；后者主要面对工业生产中的控制需求，本文即针对后者进行研究和优化，图1给出了基于ZigBee的网络控制系统中控制器、执行器和传感器的结构关系。

ZigBee的诞生来源于工业生产控制场合对低功耗、低成本、安装维护方便的无线通信网络的需求，在这类控制场合里，对带宽的需求往往不是很高，网络仅仅需要承担控制指令和采样数据的传输任务即可，但对系统的稳定性及功耗则有着较高的要求。802工作组针对此种情况，推出了IEEE802.15.4协议，而ZigBee正是基于这一标准而研发的一系列关于组网、安全和应用软件的技术。

2 无线网络控制系统存在的问题

在采用了无线网络为平台，完成控制信息的传输之后，系统的复杂性有了一定程度的提高，同时作为传输媒介的无线网络也易受到某些因素的干扰，从而给系统的稳定性造成了一定的负面影响。在查阅大量文献之后，总结出目前无线网络存在的主要问题有以下几点：

（1）时钟同步

WiNCS的时钟同步问题一直是该类系统发展的一大障碍，由于控制系统不再是集中于一地，因此各个控制环节之间的信息传输就会存在一定的时延，从而导致控制指令很难实现同步，加上系统的硬件偏差，使得采样错误和数据包出错的概率大大增加，从而降低了控制质量，甚至导致生产故障。

（2）网络时延

网络时延的大小直接影响到了控制系统的实时性，尤其对于要求响应速度快的被控系统而言，由于无线网络的时延过大，可能会导致系统出现累加延迟效应，使得控制系统失去了实用性。网络时延可以分为信道访问时延、队列时延和转发时延三类，其中影响最大的是队列时延，即数据信息在多个节点跳转的过程中，在每个节点缓存队列里排队等待的时延之和。

（3）数据包失序

根据现代计算机网络所采用的分组转发方式，各个分组在转发的过在发送时所选择的路由并不是唯一的，这就导致某些数据包可能出现“后发先至”的情况，这也给接收方带来了一定的处理开销。

（4）数据包丢失

数据包的丢失问题可以分为两种情况，即主动丢包与被动丢包。前者是系统为了确保其实时性，将时延过长，已失去使用意义的数据包主动丢弃，并禁止发送方重传；后者是指数据包由于延迟过长，超过了设定的重传时间上限而将其丢弃，这种情况通常是由于各种网络故障造成的，如网络拥塞、节点硬件故障等。

本文针对上文总结的无线网络控制系统存在的问题进行分析和研究，采用人工智能领域的模糊机制和自动化控制领域的PID算法相结合，对基于ZigBee的无线网络控制系统进行优化和改进，以下介绍相关的算法思路。

3 模糊自适应PID控制算法研究

模糊控制的本质是模仿人类的控制经验，增加了先验知识对优化策略的影响，简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。利用控制法则来描述系统变量间的关系，不必对被控制对象建立数学模式，是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器。前在控制场合中，最常使用的是二维模糊控制器。

PID算法是自动控制领域中应用最广泛的一种可靠的控制算法，利用比例、微分、积分等计算方式的结合，来达到不同的自动调节效果，该算法兼容性良好，目前已经同许多优秀的智能算法相结合，生成了多种多样的混合型控制方法。本文提出将把PID控制方法同模糊机制相结合，既发挥PID对于静态控制的优势，利用模糊机制来完成动态微调，使得控制输出进一步逼近理想值，提高了控制质量。本文设计的模糊PID控制器的结构如图2所示：

由上图中的算法流程可以看出，模糊机制的作用主要体现在提高PID控制的参数整定效率，充分利用先验知识，快速缩小参数选值范围，对PID控制优化起到了良好的促进作用。

4 仿真结果分析

对了对比本优化算法的有效性，仿真实验采用了一阶阶跃波形为参照，并选定了时延和丢包率这两种无线网络控制系统的关键参数为影响因素，对模糊PID控制系统和传统的PID控制系统的响应效果进行跟踪，观察这两种控制方案对一阶阶跃波形的跟踪效果，从而比较两种方案的各自的性能。

（1）在相同的时延为3ms的条件下，分别采用传统PID和模糊PID作为控制器，响应曲线如图4所示。

图4中，虚线波形为传统PID响应曲线，实线为模糊PID的响应曲线，对比分析可以看出模糊PID对阶跃波形的跟踪效果明显更优，对波形的跟踪效果更好，在大约0.13s已经逼近了理想值，而传统PID的虚线波形则分别在0.07s、0.11s和0.14s左右时刻发生了超调，于0.2s才实现收敛，因此可以证明，模糊PID的控制性能要远远好于传统PID的控制性能，优化效果明显。

（2）在设定丢包率为5%的条件下，两种控制器对阶跃波形的跟踪效果如图5所示：

同图4一样，虚线为传统PID响应曲线，实线为模糊PID的响应曲线，设定了丢包率为5%，即意味着在系统不断调节的过程中受到了较大的干扰，因此图中虚实两条曲线波形都存在较大的超调，但模糊PID响应曲线明显的要比传统PID响应曲线更早的逼近理想值，且超调幅度相对较小，优化效果明显。

5 结论

根据仿真结果，可以得出如下结论：

（1）根据以往的实践经验，在理想环境，即不存在时延和数据包丢失的情况下，常规PID和模糊PID控制质量相当，对波形的跟踪效果较好，且响应速度较快，都能较好的完成控制任务。

（2）在存在时延和丢包率的情况下，模糊PID控制器都表现出了更好的跟踪效果，说明当网络处在一定程度的干扰的情况下，后者可以更好地适应网络的变化，在更短的时间内完成收敛，优化效果明显。

（3）除本文列出的时延与丢包率这两种影响因素外，还对采样周期、网络带宽、系统功耗等因素进行了仿真分析，结果均证实了本优化策略的有效性，但参数组合设定的不同对无线网络控制系统的运行表现起到了较大的影响，在实际运用之前，应根据不同的无线网络进行反复测试，选取最佳的参数组合，才能够有效的提高系统效率。

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作者：陆忠树

ZigBee控制系统论文篇2：

基于Zigbee的智能教室控制系统的设计

摘要：针对传统教室用电器利用率低的问题，本文基于Zigbee设计了智能教室控制系统，通过Zigbee无线网络，对教室险情监控、人数统计、无线控制灯开关系统进行设计。该系统以STM32单片机为核心，通过Zigbee终端无线接收和发送信号到Zigbee协调器，协调器通过无线网以点播的方式接收和控制每个Zigbee终端的信号，从而进行无线控制，同时通过SIM900实现远程信息传递。实验结果表明，用户可以通过该系统远程实时监测教室环境，控制灯的开关，并通过红外对管统计进出教室的人数。该控制系统便捷灵活、操作简便，达到了预期设计目的，具有良好的经济实用前景。

关键词：智能教室; Zigbee无线网络; 远程监测; STM32; ARM; GPRS

21世纪以来，物联网技术快速发展，人们不再满足于现有的生活条件，而是向往体验更智能化的工作和生活环境[12]。以学校教室系统为例，通过调研发现，目前教室的管理以人工为主，学生自习结束人走楼空，教室却灯火通明，风扇空调等设备全开，等待管理人员统一手动关闭;自习室学生分配不均，有些人员密集，有些空无几人却开启了所有电器设备[3]。这些现象导致人力、物力及电能的浪费，给学生寻找自习室造成不便，教室资源不能合理有效的利用[4]。因此，传统的教室控制系统难以满足学生的学习需要，更不能响应节能减排、低碳生活的理念[56]。教育部门对智能教室系统的需求不断增加，使智能教室的实现成为可能。近年来，国内外基于物联网技术的智能教室系统初现雏形，它是根据教室内人数进行灯光智能控制，但仍存在准确度低、系统性不强[7]等问题。基于此，本文设计了一套基于Zigbee的智能教室管理系统，通过Zigbee无线网络，采集教室内的温湿度及火灾报警信息，同时控制教室内发光二极管（light emitting diode，LED）灯的开关，利用红外传感器实时检测室内人数，及时将这些信息显示在教室外面的液晶显示器（liquid crystal display，LCD）显示屏上。该系统改变了传统的人工管理模式，解决了教室资源浪费的问题，帮助学生快速找到合适的自习室，从而为学生提供一个更舒适的学习环境[8]。

1 ZIGBEE无线技术介绍

Zigbee无线通信技术作为一种正在发展的新型无线网络技术，以IEEE 802154为标准，但该标准只定义了较低的两层：物理（port physical layer，PHY）层和媒体访问控制（media access control，MAC）子层，是Zigbee联盟在此基础上，构建了网络层和应用程序编程接口（application programming interface，API）的标准化。Zigbee堆栈架构由物理层，媒体访问控制子层，网络层和应用层框架组成，其中包括应用程序支持（application support，APS）子层，Zigbee设备对象（zigbee device object，ZDO）和制造商定义的应用程序对象[9]。Zigbee可嵌入各种设备，广泛应用于工业监控、安防系统、智能家居等领域，具有短距离通信，低速，低功耗，低成本等特点。它的传输距离为几十米，可自由使用24 GHz和900 MHz频段，实现双工通信[10]。Zigbee支持多种网络结构，主要包括星型、树型和网状网络，它们由协调器、路由器和终端设备组成。Zigbee由于其低传输速率和对睡眠模式的支持而具有地毯节能的效果。经测试，在低功耗睡眠模式下，2节5号干电池可支持一个功能节点长达24个月。相同情况下，蓝牙可工作约1个月，而WIFI只工作几个小时，体现Zigbee的优势[11]。通过以上特性可以看出，Zigbee更适合在复杂的室内环境工作。

2 教室管理系统的设计

2.1 系统的硬件设计

智能教室系统的硬件设计主要包括STM32单片机信息处理模块、信息采集安全模块和灯控模块。系统总体结构框图如图1所示。

本系统以STM32单片机为信号处理核心，通过Zigbee节点将传感器模块与继电器模块的信号传递给单片机。系统的节点硬件结构如图2所示。Zigbee终端节点以广播的方式将接收到的信号广播到Zigbee协调器节点，该节点通过串口、路由器WIFI网络，连接单片机和手持终端设备，实现LED灯的远程开关、温湿度控制和烟雾报警功能[12]。同时，每个教室门上都安装2个交错的红外传感器，经过人数统计模块的计算，将教室的人数变化及时通过Zigbee网络上传到教室系统，方便老师快速了解教室的学生人数。该系统采集环境参数，最终通过智能手机及远程教室系统实现实时控制教室常用设备的功能。

2.1.1 ARM控制模块

在该系统中，教室内部采用星型网络，传感器数据和LED灯的开关状态在网络中自由传输，利用通用分组无线服务技术（general packet radio service，GPRS）模块和Ethernet模块，将收集到的信息传输至教务处网络，用户通过PC端或液晶显示屏观察室内情况。本系统主要采用STM32单片机进行数据处理，Zigbee协调器接收Zigbee终端发来的信息，驱动单片机将控制信息通过串口发送给Zigbee协调器[13]，单片机将Zigbee终端传感器发送的数据信息通过LCD控制器显示在LCD显示器上。系统硬件框图如图3所示。

2.1.2 人数统计模块

日常生活中经常用到各种人数统计技术，其中包括红外对管、激光传感器、热释电传感器等，但是利用机械转动装置及红外对管进行人数统计的技术，只能用于单人按照一定次序进出的情况[14]，此外，基于计算机视觉技术的人数更多受到光照变化、遮挡、运动模糊和复杂背光的影响[15]。为准确检测多人进出情況，本系统在教室门内侧安装2个红外传感器1和红外传感器2，当红外传感器1先接收到遮蔽信号，红外传感器2后接收到遮蔽信号时，每个教室的LCD显示屏显示人数加1;当红外传感器2先接收到遮蔽信号，红外传感器1后接收到遮蔽信号时，每个教室的LCD

每次人数变动都会同步显示在教室外面的LCD显示屏上，方便自习学生在不进入教室的前提下，快速找到人少的自习室，人数统计流程图如图4所示。

2.1.3 信息采集安防模块

系统的信息采集模块主要包括温湿度传感器、MQ2烟雾报警传感器、SIM900 GPRS模块、Zigbee终端模块和LCD显示屏[16]。模块中传感器采集的信息，通过AD模块进行数据处理，并显示在LCD显示器上。当教室发生火灾时，烟雾报警器会监控信息，并触摸警报铃声[17]。采集到的信息通过Zigbee无线网络及WIFI模块，上传到教室管理系统的网页终端，从而达到远程监测教室信息的目的。

2.2 系统的软件设计

系统的软件设计由远程监测界面设计、控制中心单片机的程序设计、CC2430协调器程序设计、CC2430监控节点程序设计4部分组成。

本系统通过Web远程操控应用终端接收来自终端的信号，并显示终端信号，Web与应用程序之间的桥梁是通过shell脚本完成[18]。首先Web将命令发送给相应的脚本，经过switch语句处理后，将参数传递给对应的应用程序，从而实现Web与应用程序之间的通信，达到Web控制硬件的目的，与此同时，shell脚本也实时接收来自应用程序采集的信号信息，上传到Web最终显示[19]。

3 系统测试及结果分析

该系统设计了基于Zigbee的智能教室管理系统，网页测试界面图如图5所示。系统测试表明，用户可通过该系统利用Web网页远程实时监测教室环境，同时控制教室灯的开关，并且通过红外对管统计进出教室的人数。结果表明，实验效果良好，达到了预期设计的目的[20]。

4 结束语

本文基于ZigBee设计了远程智能教室管理系统，该系统与传统的智能教室系统不同，由于Web网络模块数据的双向传递，使管理者能进行远程监测和控制。经测试，该系统降低了自习室运行成本、减少大量人力劳力，解决了以往教室系统有线网络复杂、成本高、效率低等问题，方便学生快速高效的寻找自习室。但对于人流量较大的上下课时段，人数统计有一定的误差。因此，下一步研究的重点是继续优化红外对管的人数统计方法，从而提高系统的准确度。

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作者：李京慧迟宗涛崔诗晨

ZigBee控制系统论文篇3：

基于GPRS+ZigBee的远程路灯控制系统的设计

摘要：设计一种基于GPRS+ZgiBee的远程路灯监控系统。系统采用ZigBee无线自组织网络技术和GPRS技术进行数据传输，各个节点把采集的信息实时发送回来，显示在上位机上，可以实时监测当前的光照强度和各个路灯的运行情况，同时可以根据当前光照强度调节合适的照明亮度。

关键词：无线通信技术；ZigBee；GPRS；远程控制

目前使用的传统路灯的照明管理系统存在不足之处，如浪费电量大、路灯使用寿命短、不能进行远程控制、无法自动识别故障路灯、人工作业量大等。近年来，随着无线通信技术的发展，无线传感器网络应用范围越来越广泛[1-2]。基于ZigBee技术的无线组网通信技术是一种新兴技术，其用无线通信方式对路灯节点进行管理，具有通讯频段多、组网能力强、无通讯费用、硬件成本低、功耗低等优点[3-5]。ZigBee无线传感器网络具有省电、可靠、安全等优点，能够对路灯进行实时监控，降低管理成本，而且系统容易组建、便于扩展[6]。

本课题设计一种基于GPRS+ZigBee的远程路灯监控系统。控制系统采用ZigBee无线自组织网络技术和GPRS技术进行数据传输，各个节点把采集到的信息实时发送回来，通过串口传送到上位机，可以清楚地看到当前光照强度和各个路灯的运行情况，同时可根据实际情况的不同提供灵活的控制策略，从而使照明系统更智能化、更可靠，并能达到节能环保的目的。

1 系统硬件设计

系统采用监控中心通过GPRS公网连接到各条道路的现场控制器（GPRS模块），从而实现对远程数据传输，上位机发送控制指令，通过GPRS网络将控制指令传输到现场控制器，GPRS模块通过RS-232接口与ZigBee协调器连接，将数据传给ZigBee协调器，ZigBee协调器采取广播的方式将控制指令发送给各个ZigBee路由器模块和ZigBee终端节点模块，通过控制与之相连的继电器模块的通断，实现远程控制路灯的功能。同时，ZigBee终端节点定时监测各个设备的工作状态，并且实时上传到ZigBee协调器，协调器将收到的数据通过GPRS模块传到监控中心，上位机软件对收到的数据进行分析，并且实时将各个设备的工作状态显示出来，最终达到远程监控的目的。系统的硬件主要由最小系统、串口接口电路、仿真器接口电路、恒流驱动电路、GPRS模块、路灯工作状态监测电路、光照强度监测电路组成。系统总体框图如图1所示。

1.1 最小系统

最小系统的设计如图2所示。采用以CC2530芯片为主要元件构成的硬件平台，并将Z-Stack协议栈移植到该硬件平台，可以实现无线网络的自组网以及网络节点间的数据传递。

1.2 串口通信接口

串口接口电路如图3所示。协调器和GPRS模块之间采用RS232接口通讯，使用简单方便。

1.3 恒流驱动

恒流驱动是指通过LED的电流为一个合适的恒定值，使用恒流驱动旨在提高LED的发光效率和稳定度，减少LED的光衰度[7]。大功率LED都是采用恒流驱动方式。

LED恒流驱动电源采用的是两级变换器，第一级采用UCC28810转换电路，目的是将AC转换成36 V的DC电源。第二级采用UCC2811模式，目的是将恒压源转换为0.9 A恒流源。此方案电源的转化效率更高，保证了系统的高效率。此方案使用TI公司生产的UCC28810EVM-002评估板。恒流驱动模块如图4所示。

1.4 GPRS模块

GPRS模块的作用是实现远程数据传输，可以与管理者之间进行短信的收发，并与ZigBee协调器之间进行无线通信，当现场出现故障时，以最快的速度将故障信息传输给管理者或用户。GPRS模块内部结构框图如图5所示。

1.5 路灯工作状态监测电路

状态监测电路主要对路灯的状态进行监测，可以让值班人员实时看到路灯系统的工作状态，如果发生故障方便及时处理。系统主要是通过监测路灯的工作电流来进行监控的[8]，采用电流检测技术和精密型霍尔磁敏传感器，当检测到路灯出现故障不能正常工作时，ZigBee网络立即发送报警信号到主控端，通知管理人员采取相应的措施。电流型电压测量电路如图6所示。

2 系统软件设计

系统的软件主要包括：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端节点，GPRS模块和上位机。系统软件设计框图如图7所示。

2.1 ZigBee协调器软件设计

协调器负责选择一个信道和一个网络ID（也称为PAN ID，即Personal Area Network ID）来建立整个网络。网络建立完成后开始进行数据的传输，并将现场和监控中心之间的数据进行传递，根据信号类型的不同调用相应的处理函数进行处理。网络建立过程如图8所示。

2.2 ZigBee路由器软件设计

路由器模块的功能为：允许其他终端节点设备加入网络，多跳路由和协助它自己的终端设备的通讯。基本路由算法如图9所示。

2.3 ZigBee终端节点软件设计

终端节点用来发送及接收协调器和路由器发来的消息，它可以在睡眠或者唤醒状态之间进行切换。对于新加入的节点，首先搜索所在区域可用的父节点，当检测到可用的网络之后，查找网络中深度最浅的节点，并发出请求加入网络的信号，该父节点收到信号后，发出网络关联的命令。终端节点加入网络开始工作之后，实时检测现场数据，当检测到设备工作不正常时，把故障设备通过GPRS以短信的形式发送给工作人员的监控设备，以便快速处理，提高工作效率。终端节点工作流程如图10所示。

2.4 GPRS模块初始化

在对GPRS模块进行初始化时，需要对以下几部分进行相应的设置：接通电源，设置串口的波特率，对短信中心号码的设置，对短信收发格式的设置，设置终端进行编码字符等。初始化流程如图11所示。

2.5 GPRS模块软件设计

GPRS模块通过串口芯片与ZigBee协调器之间进行无线通信，并且实现数据的远程传输，当现场出现异常时，能够将信息及时准确地发送给工作人员或用户。当GPRS模块通电后，串口监视和数据发送两个功能模块分别进入监视和监听状态，对数据缓冲区和串口进行实时检测。当串口监听到有数据时，立即将其数据写到缓冲区当中；当数据发送线程监测到有数据写入缓冲区时，GPRS网络会将缓冲区的数据发送出去。GPRS模块软件流程如图12所示。

2.6 上位机软件设置

本系统可以设置为手动控制方式和自动控制方式，其中自动控制方式只需要配置好相关参数即可，控制方便灵活。同时，可以查看各个区域街道的路灯工作状态，并将系统数据自动保存下来，方便查看。路灯管理控制系统如图13所示。

3 结论

设计一种基于GPRS+ZigBee的远程路灯控制系统，利用GPRS技术和ZigBee无线组网技术实现了对路灯控制系统的实时监控和网络化的管理。系统的网络扩展性好，现场安装简单方便，操作界面显示现场数据，有利于用户的远程操作，具有较好的使用价值。

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