無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)

楊堃

【摘要】基于Zigbee通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種智能空調(diào)控制系統(tǒng)的外圍電路。系統(tǒng)以CC2530模塊為核心配置，采用DS18B20溫度傳感器、Nokia5110液晶及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過上位機(jī)、單片機(jī)與傳感器三者相連，采集、存儲并控制系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。深入研究了PCB內(nèi)部天線增強(qiáng)系統(tǒng)杭干擾能力的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】無線智能空調(diào)系統(tǒng);外圍電路;設(shè)計(jì)

當(dāng)今社會，人們對生活品質(zhì)要求越來越高，而傳統(tǒng)的家電已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此智能家理念電悄然興起。智能家電是指將微電腦和通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器中，可以隨時(shí)隨地地獲取與處理信息的消費(fèi)電子產(chǎn)品，其重要的特征是通過Internet傳遞數(shù)字信息。基于此，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信協(xié)議的智能空調(diào)控制系統(tǒng)的外圍電路。結(jié)合原空調(diào)控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制空調(diào)的運(yùn)行。

1.ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一組被稱為層的模塊組成。下面的一層為上面的一層執(zhí)行特定的服務(wù)，即數(shù)據(jù)實(shí)體提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供了所有其它的服務(wù)。上層由服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)提供一個(gè)接口。物理層和媒體介質(zhì)訪問層由IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數(shù)據(jù)連接，MAC層控制數(shù)據(jù)包的物理尋址，網(wǎng)絡(luò)層是確定網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，應(yīng)用層為應(yīng)用程序服務(wù)。每層機(jī)構(gòu)通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口和管理服務(wù)接口進(jìn)行相鄰層之間的通信。

2.PCB內(nèi)部天線的設(shè)計(jì)

使用PCB內(nèi)部天線時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，需要設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的天線長度。由CC2530芯片可以知道，系統(tǒng)的頻率f為2.4GHz，光的傳播速度CO為3×108m/s，可計(jì)算真空中的波長，如公式（1）所示：λ=CO/f（1）

當(dāng)電磁波在其他介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，可根據(jù)介質(zhì)與真空的介電常數(shù)計(jì)算在介質(zhì)中的傳播速度，如公式②所示：

由于在制作PCB板子時(shí)，介電常數(shù)還會受到PCB板子厚度h以及線寬w的影響，因此有效介電常數(shù)εoff如公式③所示：

由此可算出PCB天線的半波振子L_{HW_PCB}的長度，如公式

（4）所示：

而單極PCB內(nèi)部夭線的長度是PCB天線半波振子L_{HW_PCB}的長度的1/4，因此可算出PCB內(nèi)部天線的長度，如公式（5）所示：

L_{HW_PCB}=1/4L_{HW_PCB}

設(shè)計(jì)的PCB板子的材料是FR4，該板子的介電常數(shù)為4.2，板子的厚度為1.6mm，天線寬度為1mm，計(jì)算出有效值為2.965，電磁波在板子中的波長為72.594mm，因此PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計(jì)為36.33mm。

3.整體電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的ZigBee智能空調(diào)系統(tǒng)需要一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)?；赯igBee協(xié)議設(shè)計(jì)的外圍電路，系統(tǒng)框圖如圖1所示，無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的結(jié)構(gòu)是星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)全功能協(xié)調(diào)器（采集模塊），一個(gè)LCD液晶及溫度傳感器的測溫節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)（傳感模塊）組成。

采集模塊通過串口與PC機(jī)相連，傳感器模塊被布置在家中的空調(diào)上，通過溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)溫度，然后溫度數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給采集模塊，通過串口通信傳遞到上位機(jī)，家庭成員通過Internet遠(yuǎn)程查看溫度池可以遠(yuǎn)程設(shè)定空調(diào)溫度，即通過上位機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的設(shè)定，進(jìn)而反向傳輸?shù)絺鞲心K的LCD液晶上顯示。

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由傳感模塊、采集模塊和電源模塊組成。

4.1 通信模塊的選擇

設(shè)計(jì)過程中為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲和處理的能力，選用了帶有256K Flash和標(biāo)準(zhǔn)8051增強(qiáng)型處理器的CC2530作為核心模塊。

4.2 采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

采集模塊主要負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉(zhuǎn)換電路、電源電路、串口、復(fù)位鍵、指示燈以及天線組成。由于CC2530模塊的工作電壓是3.3V，所以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片REG1117把5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

4.3 傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)

傳感模塊是智能空調(diào)控制系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。傳感模塊除了包含有采集模塊組成部分外，還具有溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示部分。傳感模塊需要一個(gè)串口線即可實(shí)現(xiàn)DS18B20溫度傳感器和PC機(jī)的雙向通信。

4.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路為智能空調(diào)系統(tǒng)的其他功能模塊供電，保證模塊的正常工作。模塊中，下載設(shè)備和調(diào)試設(shè)備需要5V供電，芯片CC2530需要3.3V供電，因此采用電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為了充分滿足不同工作環(huán)境，系統(tǒng)采用3種供電方式：電池供電、USB供電、穩(wěn)壓電源直流供電。

5.系統(tǒng)的測試結(jié)果及分析

無線智能空調(diào)外圍電路的測試結(jié)果分為兩個(gè)部分，一是上位機(jī)上顯示的每隔1s采集的溫度數(shù)據(jù)及我們對空調(diào)設(shè)定的溫度。另一部分是通過LCD液晶顯示的室內(nèi)溫度

測試結(jié)果表明：無線智能空調(diào)外圍電路控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)采集，以及遠(yuǎn)距離的無線傳輸?shù)目刂?，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、體積小、移植性強(qiáng)、傳輸距離可達(dá)20m左右，可穿透障礙物等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

6.結(jié)束語

系統(tǒng)是基于ZigBee的無線智能空調(diào)外圍電路的設(shè)計(jì)。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無線智能空調(diào)控制系統(tǒng)更具有移植性強(qiáng)，省電，靈活小巧等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在很多場合，方便人們的生活。PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計(jì)為36.33mm使杭干擾能力增強(qiáng)，收發(fā)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。系統(tǒng)以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免了傳統(tǒng)排線繁瑣的缺點(diǎn)，更適用于當(dāng)今社會的需要。

【參考文獻(xiàn)】

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