基于嵌入式的Zigbee無線傳感智能家居系統(tǒng)硬件設計

文/楊淳清

1 系統(tǒng)設計需求及方案

本系統(tǒng)的設計意在解決家居系統(tǒng)遠程遙控及狀態(tài)監(jiān)測問題，用戶可通過智能手機上的APP軟件實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)中各傳感終端部件的遠程遙控，并根據(jù)狀態(tài)和需求設置參數(shù)，實現(xiàn)對家居內(nèi)環(huán)境、電器、報警子系統(tǒng)的監(jiān)控?；谏鲜鲈O計需求，本系統(tǒng)將整體的硬件模塊設計分為外網(wǎng)環(huán)境硬件部分和室內(nèi)家居終端傳感監(jiān)測節(jié)點兩部分。

1.1 外網(wǎng)環(huán)境硬件部分

主要由CC2530無線傳感協(xié)調(diào)器、外網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測硬件電路板、電源和網(wǎng)關模塊構成，實現(xiàn)對室內(nèi)家居采集信號的綜合處理，并搭建起遠程云平臺與室內(nèi)家居終端傳感監(jiān)測節(jié)點之間通訊的渠道。

1.2 室內(nèi)家居終端傳感監(jiān)測節(jié)點部分

由消防報警硬件節(jié)點、室內(nèi)環(huán)境硬件節(jié)點、家電控制監(jiān)測節(jié)點、CC2530終端、電源模塊等構成，實現(xiàn)對家居內(nèi)環(huán)境和電器運行狀態(tài)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)通訊。

2 系統(tǒng)硬件模塊選項及設計

2.1 CC2530無線傳感中控模塊

CC2530是目前國內(nèi)通用的無線傳感Zigbee芯片，其內(nèi)部配備了2.4GHZ的高頻收發(fā)器及1顆工業(yè)級8051內(nèi)核微處理器，能夠直接用于對傳感檢測信號的收發(fā)處理和微處理運算。在具體的設計中，選用CC2530作為本系統(tǒng)的中控核心芯片，主要功能端口的硬件設計分布為：P1.1為消防報警信號輸入口，P1.2為溫濕度檢測信號輸入口，P0.1為室內(nèi)空調(diào)電器控制繼電器信號輸出口，P0.2為聲光報警模塊控制繼電器信號輸出口。

2.2 室內(nèi)環(huán)境傳感模塊

本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對室內(nèi)家居溫度和濕度信號的采集和傳輸，以為后期的室內(nèi)溫濕度智能控制提供依據(jù)。為此特選擇溫濕度傳感器DHT22為室內(nèi)環(huán)境傳感模塊的核心器件。DHT22是一款復合式溫濕度傳感器，內(nèi)含電容式感濕元件及NTC感溫元件，具有體積小、功耗低等特點，它的溫度測量范圍為-40---80度，濕度測量范圍為0---100%RH，具體的電路模塊設計策略為：DHT22的2腳連接CC2530的WSD引腳，1腳連接3.3V直流電源端，4腳接地，3腳空置。圖1為室內(nèi)環(huán)境傳感模塊的硬件電路圖。

2.3 消防報警傳感模塊

該模塊的功能用于實時監(jiān)測家居室內(nèi)的煙霧濃度，并根據(jù)預設好的閥值進行報警提示或靜默運行，以提升用戶室內(nèi)煙霧濃度是否超標，以此作為消防報警系統(tǒng)是否運行的參照。具體元件選擇上，采用MQ-2煙霧濃度傳感器為核心，該傳感器共4個引腳，其中2個用于檢測信號的傳輸，2個用于電源和地線的連接，結構簡單，成本低廉，能夠實現(xiàn)對煙霧、液化氣、酒精揮發(fā)氣體的檢測。該模塊的電路設計策略為：MQ-2輸出端OUT與LM358的IN-腳相連，用于輸入采集到的室內(nèi)煙霧信號；LM358的IN+與可調(diào)電阻連接，OUT端輸出室內(nèi)煙霧檢測處理信號，送入CC2530P1.1引腳，實際工作中可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值來調(diào)節(jié)整個消防報警電路的檢測靈敏度。

2.4 家用電器智能控制模塊

本系統(tǒng)的家用電器智能控制模塊主要包含三個部分，分別是空調(diào)控制電路模塊、消防報警噴淋電路模塊和聲光報警電路模塊，三個部分電路均以繼電器為控制核心，以空調(diào)控制電路模塊為例闡述設計思路：溫濕度傳感器DHT22實時采集室內(nèi)的溫濕度信號，并將采集到的信號反饋給CC2530的WSD引腳，CC2530將采集信號與用戶預設信號進行比較，倘若采集信號超過預設閥值，CC2530的P0.1腳便向空調(diào)控制電路繼電器發(fā)送高電平信號，以開啟空調(diào)。消防報警淋浴電路和聲光報警電路模塊的控制原理與之類似，此處不再累述。

圖1：室內(nèi)環(huán)境傳感模塊電路圖

3 系統(tǒng)硬件測試環(huán)境

系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡的通信性能如何，直接決定了本系統(tǒng)在實際運行中的精確性。在具體的測試中，主要以測試CC2530協(xié)調(diào)器與主模塊終端之間的數(shù)據(jù)傳輸能力為準，并以終端和協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)包接收成功率為依據(jù)，檢測整個ZigBee無線傳感模塊的網(wǎng)絡通信性能。具體的測試環(huán)境為：

（1）獨門獨院的3層樓別墅，建筑面積570平方米，終端模塊、網(wǎng)關模塊和WIFI路由器放置在1樓客廳，1-3層各房間放置相應的協(xié)調(diào)器模塊。

（2）客廳環(huán)境：面積103平方米，僅有一些家具、家電障礙物。

（3）2樓主臥室環(huán)境：面積20平方米，與1樓終端模塊的直線距離30米，中間有厚0.5米的1層水泥天花板以及各類家具、家電障礙物。