基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶在紅+楊宇+常建華

摘? 要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CC2530無(wú)線單片機(jī)為主控，采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信。下位機(jī)通過(guò)各類傳感器獲得家中的溫度、濕度及電器工作狀態(tài)信息等參數(shù)，并傳送給上位機(jī)；上位機(jī)接收到信息并進(jìn)行分析，把控制信號(hào)下達(dá)給繼電器控制模塊控制電器通斷。同時(shí)，上位機(jī)還能將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絇C進(jìn)行顯示和保存。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量和家用電器的監(jiān)視和控制，具有低成本、高實(shí)用性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： ZigBee； CC2530； 智能家居； 無(wú)線通信

中圖分類號(hào)： TN911?34； TH811.2??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A????????????????????? 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0009?04

Abstract： A new smart home control system is designed in this paper. In this system， CC2530 is used as the master control chip， and the communication between a master machine and a slave machine is realized through ZigBee wireless technology. The slave machine gathers indoor parameters on temperature， humidity and work condition of household appliances by various kinds of sensors， and sends them to the master machine. The master machine analyzes the data from slave machine and turns electrical appliances on or off by issuing a control signal to the relay control module. Furthermore， the data from slave machine can be transmitted through a serial port to PC for storage and display. The practical test indicates that the system can realize fast detection of temperature and humidity， as well as monitoring and control of household appliances. This system with low?cost and high?practicality has good promotional value.

Keywords： ZigBee； CC2530； smart home； wireless communication

0? 引? 言

智能家居控制系統(tǒng)就是在住宅中融合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)，能為用戶提供一個(gè)更簡(jiǎn)單更便捷的接口來(lái)操控家庭電器。比如，通過(guò)PC、手機(jī)甚至是語(yǔ)音控制家中的電器設(shè)備，而且可以設(shè)置一些場(chǎng)景規(guī)則，使多個(gè)設(shè)備基于同一場(chǎng)景模式進(jìn)行協(xié)同工作[1?2]。另一方面，智能家居系統(tǒng)中的各種設(shè)備都是聯(lián)網(wǎng)的，可以相互通信，利用多個(gè)設(shè)備協(xié)同工作，形成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。用戶只需要對(duì)其簡(jiǎn)單設(shè)置將其初始化，便可以自動(dòng)運(yùn)行，這給用戶帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全[3?4]。

基于智能家居具有非常強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能收集家中溫度、濕度以及家用電器的工作狀態(tài)等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能控制。系統(tǒng)用兩個(gè)CC2530無(wú)線單片機(jī)模塊組成上下位機(jī)。下位機(jī)連接各種傳感器，負(fù)責(zé)收集溫度、濕度和電器工作狀態(tài)等參數(shù)并發(fā)送給上位機(jī)；作為系統(tǒng)的控制中樞，上位機(jī)連接繼電器控制模塊，負(fù)責(zé)接收和處理下位機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把控制信號(hào)下達(dá)給繼電器控制模塊來(lái)控制電器通斷。另外，上位機(jī)還能將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絇C進(jìn)行顯示和保存。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

本系統(tǒng)使用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，可分為傳感器信號(hào)發(fā)射端（即下位機(jī)）和信號(hào)處理端（即上位機(jī)）。下位機(jī)由傳感器和一個(gè)ZigBee無(wú)線單片機(jī)模塊組成，讀取傳感器的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)由一個(gè)ZigBee無(wú)線單片機(jī)模塊和繼電器控制模塊組成，處理和分析下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，從而判斷打開或關(guān)閉自己所控制的工作電路，并且通過(guò)串口與PC進(jìn)行通信。

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圖1 系統(tǒng)組成框圖

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? ZigBee無(wú)線單片機(jī)模塊

CC2530是一款真正意義上的針對(duì)IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，提供了一種可靠而又價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建方式。它集成了一種高性能的主流RF發(fā)射器、一款基于工業(yè)級(jí)的8051核心的微控制器、內(nèi)置可編程閃存、8 KB RAM、不低于32 KB的ROM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有多種操作模式，以使系統(tǒng)更好地降低功耗，更好地滿足實(shí)際應(yīng)用。操作模式間很短的切換時(shí)間也保證了非常低的能量消耗[5?6]。

2.2? 溫度測(cè)量模塊

目前常用的溫度傳感器主要有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式的溫度傳感器主要有PT100，它精度高，性能穩(wěn)定[7]，工作溫度在-200～650 ℃之間。但是由PT100構(gòu)成的溫度測(cè)量電路十分復(fù)雜，功耗和成本較大，而且普通測(cè)量對(duì)于溫度測(cè)量的精度要求并不是十分高，所以本設(shè)計(jì)選用電路較為簡(jiǎn)單的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。該芯片是由美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款數(shù)字式溫度傳感器[8]。溫度測(cè)量電路如圖2所示，采用DS18B20外部電源供電的方式，在DS18B20的數(shù)據(jù)總線上添加了一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻，這樣在這條數(shù)據(jù)線上接多個(gè)DS18B20時(shí)，也有足夠的電流驅(qū)動(dòng)它們；而且其中一個(gè)DS18B20數(shù)據(jù)線短路時(shí)，該電阻也起到了限流保護(hù)電路的作用。

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圖2 溫度測(cè)量電路

2.3? 濕度測(cè)量模塊

濕度測(cè)量模塊感應(yīng)部分為HS1101濕度傳感器。HS1101是一種基于獨(dú)特工藝的電容元件，濕度變化引起電容兩極板間介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起HS1101電容值的變化。濕度測(cè)量電路如圖3所示。555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器輸出信號(hào)的頻率，隨2端口與地之間的電容變化而變化。將HS1101接入555定時(shí)器的2端口與地之間，就將電容值轉(zhuǎn)換成了輸出信號(hào)的頻率值。利用單片機(jī)可以測(cè)出555多諧振蕩器輸出信號(hào)的頻率，根據(jù)頻率值，就可以反算出電容值以及相對(duì)濕度值。

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圖3 濕度測(cè)量電路

2.4? 電器工作狀態(tài)感應(yīng)模塊

電壓感應(yīng)器需要與家用電器串聯(lián)在220 V交流工作電路中，而家用電器的工作電流少則幾百毫安，大則幾安培，所以要先利用電流互感器將220 V家用電器電路的電流感應(yīng)轉(zhuǎn)換為小電流。經(jīng)過(guò)如圖4所示電路，輸入電流轉(zhuǎn)換為一個(gè)單片機(jī)可以測(cè)量的小電壓。設(shè)電流互感器比例系數(shù)為[m][∶][n，]二極管正向?qū)〞r(shí)兩端的壓降為[UD，]那么對(duì)于[R9]兩端電壓[U9]有以下關(guān)系：

[U9=Iin?mn?R7-2UD?R9R8+R9]

電路使用全橋整流將50 Hz交流電路轉(zhuǎn)化為直流電路，根據(jù)不同家用電器的工作電流，來(lái)調(diào)節(jié)電位器[R7]和[R9，]使得穩(wěn)壓管D2處于擊穿狀態(tài)，從而獲得一個(gè)穩(wěn)定的電壓[U9。]輸出端的電解電容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的濾波，使輸出電壓更平穩(wěn)。

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圖4 電器工作狀態(tài)感應(yīng)模塊

2.5? 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。因?yàn)镃C2530輸出電流很小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，因此在輸出端接了一個(gè)三極管，利用共射放大電路將電流放大后送給電磁繼電器。電磁繼電器后端做了一個(gè)簡(jiǎn)易的工作電路，工作電路工作則LED亮起。

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圖5 繼電器控制模塊電路

2.6? 串口通信電路

串口通信模塊的電路圖如圖6所示。MAX232芯片的11腳和12腳分別接CC2530芯片的P0_3和P0_2端口，這兩個(gè)端口除了作為普通I/O端口，還是CC2530的USART0串口通信接口[9]。通過(guò)設(shè)置CC2530的USART0相關(guān)寄存器，即可與電腦進(jìn)行通信。

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圖6 串口通信模塊電路

3? 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件也分上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。

下位機(jī)主程序流程圖如圖7所示。與AT89S52單片機(jī)相比，CC2530 有多個(gè)晶振，啟動(dòng)之初在CPU初始化中選擇適當(dāng)?shù)木д?，然后初始化射頻功能。CC2530可以在系統(tǒng)時(shí)鐘之外設(shè)置定時(shí)器時(shí)鐘，使之等于或小于系統(tǒng)時(shí)鐘，默認(rèn)狀態(tài)為等于系統(tǒng)時(shí)鐘。由于濕度測(cè)量時(shí)要精確定時(shí)到1 s，必須通過(guò)很多次系統(tǒng)中斷來(lái)完成這個(gè)定時(shí)。如果減小定時(shí)器時(shí)鐘，減少1 s內(nèi)所需中斷次數(shù)，能大大提高定時(shí)精度。

上位機(jī)初始化和下位機(jī)基本一致，只是多了一個(gè)串口初始化。上位機(jī)程序讀取繼電器控制的電器工作狀態(tài)，結(jié)合從下位機(jī)處收集的溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)繼電器進(jìn)行控制，比如溫度高時(shí)打開空調(diào)，濕度低時(shí)打開加濕器等，而后將控制動(dòng)作發(fā)生前的所有數(shù)據(jù)以及采取的動(dòng)作通過(guò)串口傳輸至PC顯示出來(lái)。如果在PC端編寫相應(yīng)軟件則可通過(guò)PC做更加有效的報(bào)警。上位機(jī)流程圖如圖8所示。

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圖7 下位機(jī)主程序流程圖

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圖8 上位機(jī)程序流程圖

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)軟、硬件調(diào)試，系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了溫濕度的測(cè)量和家用電器的監(jiān)視和控制。

用手按住DS18B20，PC端超級(jí)終端的溫度顯示情況如圖9所示，顯示的溫度值增加。由于DS18B20是數(shù)字式芯片且可靠性非常好，工作電壓為3～5.5 V，所以在正確驅(qū)動(dòng)DS18B20之后，讀取溫度值一般即為比較準(zhǔn)確的溫度值。

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圖9 PC端超級(jí)終端溫度顯示

將濕度傳感器接入電路，朝濕度傳感器哈一口氣改變環(huán)境濕度值，PC超級(jí)終端接收到的濕度值變化情況如圖10所示，哈氣之后濕度值變高。

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圖10 PC端超級(jí)終端濕度顯示

將圖4中[R7]設(shè)定為1 kΩ，[R9]設(shè)定為50 kΩ在Multisim軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個(gè)波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結(jié)果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩(wěn)定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)，但普通家用電器不需在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)開關(guān)，所以本電路基本能達(dá)到智能家居控制系統(tǒng)的要求。

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圖11 仿真結(jié)果

5? 結(jié)? 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)家居的智能管理，本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數(shù)的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)獲得溫度、濕度以及電器工作狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)，并且通過(guò)處理這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)部分家用電器的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)基本完成了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其他參數(shù)的傳感測(cè)量、控制和本系統(tǒng)中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應(yīng)的傳感器即可。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線傳感芯片性價(jià)比進(jìn)一步提高，智能家居必會(huì)帶動(dòng)家用電器領(lǐng)域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

參考文獻(xiàn)

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圖10 PC端超級(jí)終端濕度顯示

將圖4中[R7]設(shè)定為1 kΩ，[R9]設(shè)定為50 kΩ在Multisim軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個(gè)波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結(jié)果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩(wěn)定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)，但普通家用電器不需在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)開關(guān)，所以本電路基本能達(dá)到智能家居控制系統(tǒng)的要求。

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圖11 仿真結(jié)果

5? 結(jié)? 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)家居的智能管理，本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數(shù)的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)獲得溫度、濕度以及電器工作狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)，并且通過(guò)處理這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)部分家用電器的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)基本完成了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其他參數(shù)的傳感測(cè)量、控制和本系統(tǒng)中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應(yīng)的傳感器即可。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線傳感芯片性價(jià)比進(jìn)一步提高，智能家居必會(huì)帶動(dòng)家用電器領(lǐng)域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

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圖10 PC端超級(jí)終端濕度顯示

將圖4中[R7]設(shè)定為1 kΩ，[R9]設(shè)定為50 kΩ在Multisim軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個(gè)波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結(jié)果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩(wěn)定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)，但普通家用電器不需在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)開關(guān)，所以本電路基本能達(dá)到智能家居控制系統(tǒng)的要求。

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圖11 仿真結(jié)果

5? 結(jié)? 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)家居的智能管理，本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數(shù)的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)獲得溫度、濕度以及電器工作狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)，并且通過(guò)處理這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)部分家用電器的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)基本完成了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其他參數(shù)的傳感測(cè)量、控制和本系統(tǒng)中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應(yīng)的傳感器即可。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線傳感芯片性價(jià)比進(jìn)一步提高，智能家居必會(huì)帶動(dòng)家用電器領(lǐng)域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

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