基于嵌入式平臺的智能窗簾開發(fā)

劉甲麗 杜選 陳立江 尹海楠 郭棟 吳昊

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對智能家居有著越來越高的要求，智能窗簾在其中有著不可或缺的重要性。不僅要具有遮光作用和美化功能，更要具備方便智能的使用功能。系統(tǒng)基于智云物聯(lián)平臺設(shè)計，選取嵌入式微處理器，通過光敏無線傳感器采集光強值、步進(jìn)電機控制窗簾的升降，同時采用了ZigBee搭建無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。數(shù)據(jù)采集以CC2530作為底層硬件平臺，實時采集光線強度。智能窗簾可通過自動、手動、語音三種方式控制窗簾的升降及打開、閉合程度，給人們帶來更加便捷舒適的生活環(huán)境。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；智能窗簾；ZigBee；CC2530

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0234-02

Development of Intelligent Curtain based on Embedded Platform

LIU Jia-li1，DU Xuan1，CHEN Li-jiang2，YIN Hai-nan1，GUO Dong1，WU Hao1

（1.Jiaxing University， Jiaxing 314001，China； 2.Zhongxing New Thought Education， Shenzhen 518081，China）

Abstract： With the development of the Internet of things， people have more and more requirements for smart home， Smart curtains are of vital importance. It not only has the function of shading and beautifying， but also has the function of convenient and intelligent use. The system is based on the design of the intelligent cloud-object platform. The embedded microprocessor is selected to collect the light intensity value through the photosensitive wireless sensor， and the curtain is controlled by the stepper motor. At the same time， ZigBee is used to build wireless network communication technology. Data acquisition takes CC2530 as the underlying hardware platform to collect light intensity in real time. Intelligent curtain can automatically， manually， voice three ways to control the curtain lifting and opening， closing degree， to bring people a more convenient and comfortable living environment.

Key words： internet of things； embedded； intelligent curtains； ZigBee； CC2530

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種智能家居百花齊放，智能窗簾的研發(fā)也開始進(jìn)入了人們的視線。窗簾所具有的最基本的功能便是調(diào)節(jié)室內(nèi)光線和遮陽隔熱，隨著窗簾的不斷發(fā)展，它已經(jīng)成為了在居室里不可缺少的、功能性和裝飾性完美結(jié)合的室內(nèi)裝飾品。目前普通的窗簾已經(jīng)不能再滿足當(dāng)代人的需要，人們在追求美的同時也在不斷地追求舒適、便捷與安全。

智能窗簾是帶有一定自我反應(yīng)、調(diào)節(jié)、控制功能的電動窗簾。可根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境狀況自動調(diào)空氣濕度、光線強度、平衡室溫等，有智能雨控、智能光控、智能風(fēng)控三大突出的特點。根據(jù)光敏傳感器采集到的光照強度自動對窗簾的開關(guān)進(jìn)行控制，實現(xiàn)能通過web方式或手機APP進(jìn)行控制[1]。

近年來，智能家居系統(tǒng)受到越來越多人的推崇，國內(nèi)的智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)隨著國家相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)的逐漸建立，智能家居已成為目前業(yè)界最具前景的領(lǐng)域。

2 需求分析

本項目設(shè)計了一款智能窗簾，用戶可以根據(jù)自己的需要來控制窗簾。用戶可以通過自動、手動、語音三種方式控制窗簾的升降，若設(shè)為自動控制，窗簾能夠自動感應(yīng)采集周圍環(huán)境的光照強度，并根據(jù)采集到的光照強度值控制窗簾的升降，若為手動方式，可通過手機APP或web瀏覽器遠(yuǎn)程控制窗簾的升降，若為語音控制，可通過識別用戶的語音指令控制窗簾的升降。該系統(tǒng)基于智云物聯(lián)平臺設(shè)計，通過無線光敏傳感器采用光強值，通過步進(jìn)電機控制窗簾的升降，底層采用的是單片機cc2530，同時采用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)?？蛻敉ㄟ^web或android手機App對窗簾進(jìn)行控制。

智能窗簾系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：

1）實時數(shù)據(jù)采集功能： 實時顯示光敏傳感器所在位置的光照強度值；

2）執(zhí)行控制功能：點擊打開按鈕，開啟步進(jìn)電機； 點擊關(guān)閉按鈕，關(guān)閉步進(jìn)電機；

3） 聯(lián)動控制功能：當(dāng)光強值超過設(shè)定的閾值時，自動關(guān)閉步進(jìn)電機；當(dāng)光強值在設(shè)定的閾值內(nèi)時，自動開啟步進(jìn)電機；

4）語音控制功能：使用現(xiàn)有的語音識別技術(shù)WEGASUN-M6語音識別模塊，通過語音指令的輸入，實現(xiàn)對窗簾的自動開關(guān)和指定打開程度的控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能窗簾系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是利用光敏傳感器采集環(huán)境光照強度、采用語音識別傳感器采集語音信號、步進(jìn)電機對窗簾進(jìn)行升降控制，將上述三種無線傳感器通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與家居網(wǎng)關(guān)通信，家居網(wǎng)關(guān)通過wifi接入互聯(lián)網(wǎng)，在手機上運行App對智能窗簾進(jìn)行控制。

3.2 傳感器硬件驅(qū)動設(shè)計

3.2.1 Zigbee節(jié)點電路

Zigbee節(jié)點硬件電路采用TI公司的CC2530F256芯片實現(xiàn)無線通信方案。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)[2]。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack?），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。CC2530系統(tǒng)硬件電路包括穩(wěn)壓電源、時鐘電路、復(fù)位電路等。

3.2.2 光敏傳感器

窗簾自動控制系統(tǒng)的光控功能可根據(jù)光照的強弱來自動控制窗簾的開閉，因此需要用到光照傳感元器件。

光敏傳感器是一種利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可[3]。

光敏傳感器屬于采集類傳感器，驅(qū)動程序邏輯如圖2所示：

光敏傳感器屬于定時采集類傳感器，設(shè)定每隔30s主動上報傳感器數(shù)值。

3.2.3 步進(jìn)電機

步進(jìn)電機是一個將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件。步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相時序控制器[4]。

步進(jìn)電機傳感器屬于控制類傳感器，設(shè)定每隔30s主動上報傳感器數(shù)值。進(jìn)電機傳感器ZXBee HAL函數(shù)如表1所示：

4 運行結(jié)果

1）根據(jù)實際硬件平臺設(shè)置傳感器節(jié)點的IEEE地址及智云ID/KEY

2）編譯SmartCurtain工程，并安裝應(yīng)用程序到Android智能手機中

3）設(shè)置Android終端設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)或者與智云網(wǎng)關(guān)設(shè)備在同一個局域網(wǎng)內(nèi)。進(jìn)入智能窗簾系統(tǒng)主界面，在主界面彈出“連接網(wǎng)關(guān)成功”消息后即表示連接到智云服務(wù)中心

4）連接網(wǎng)關(guān)成功后會發(fā)送查詢光強值的命令并將光強值在左側(cè)顯示出來，用戶可選擇自動、手動或語音控制模式來控制電機的開關(guān)，系統(tǒng)默認(rèn)選中手動模式，如圖3所示：

5）選擇自動控制，系統(tǒng)默認(rèn)的初始閥值為200，用戶也可以調(diào)節(jié)光強閥值

5 總結(jié)

基于嵌入式平臺[5]和ZigBee技術(shù)設(shè)計開發(fā)智能窗簾，其中光敏電阻傳送信號、步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件、cc2530單片機作為主要的控制元器件。應(yīng)用cc2530單片機的優(yōu)勢減少了硬件的復(fù)雜性，光敏電阻接收外界光照信號，經(jīng)過A＼D轉(zhuǎn)換后，傳送給單片機一個電信號，單片機經(jīng)過處理后，控制步進(jìn)電機做出相應(yīng)的動作，以控制窗簾的開閉。光敏電阻的良好感光性以及步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的優(yōu)點使窗簾控制開關(guān)更加穩(wěn)定。通過自動、手動、語音三種方式控制窗簾?？蛻舳送ㄟ^web或Android智能手機app對窗簾進(jìn)行控制，方便操控。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉金金.基于智云平臺的農(nóng)業(yè)光強監(jiān)測平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中原工學(xué)院學(xué)報，2017，28（2）.

[2] 諶容，胡澤，張扯拉，汪維. 基于單片機控制的智能光控窗簾系統(tǒng)研究[J].電子世界，2013（09）.

[3] 楊東，軒克輝，董雪峰. 光敏電阻的特性及應(yīng)用研究[J].山東輕工業(yè)學(xué)院（自然科學(xué)版），2013（02）.

[4] 熊超美.步進(jìn)電機的單片機控制硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南有色金屬，2011（02）.

[5] 張思民.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

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