摘 要:在介紹了ZigBee技術的興起背景及優(yōu)勢的基礎上，重點探討了ZigBee無線技術在家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，并給出了一套基于ZigBee和紅外技術的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)以CC2430為核心控制器并結(jié)合紅外技術實現(xiàn)了對紅外遙控型家電的兼容，能夠監(jiān)測家居環(huán)境并控制多種類型終端家電。測試表明:在250 m2的房間里，該系統(tǒng)的ZigBee信號能有效覆蓋。系統(tǒng)擴展性強，可靠性高，具有非常廣闊的市場應用前景。關鍵詞:家居監(jiān)控; ZigBee; 紅外; CC2430

中圖分類號:TN911-34; TP212文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0039-03

System of Home Monitoring and Controlling Based on ZigBee and Infrared

ZHOU Li-chao， XU Xue-mei， LI An， WANG Qing

(School of Physics Science and Technology， Central South University， Changsha 410083， China)

Abstract: The background and advantages of ZigBee are introduced. The applications of the home monitoring system based on zigBee wireless sensor networks were discussed. A new scheme of the home monitoring system is presented. The design and development of the software and hardware of the proposed system are given. By use of CC2430 as the core controller and achieving compatibility of appliances which are controlled by infrared， the system can monitor home environment and control kinds of appliances .It is shown that the system can effectively covers ZigBee signal in the 250-square-meter room. With strong scalability and high reliability， this system will owns very broad application prospects of the market.Keywords: home monitoring; zigBee; infrared; CC2430

0 引 言

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一。ZigBee是一種無線連接技術的商業(yè)化命名，主要用于解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網(wǎng)應用[1]。而紅外技術因興起早、技術簡單等優(yōu)點先在家電遙控市場先入為主，當前家電遙控基本都采用紅外。

基于ZigBee與紅外技術的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)，采用便捷、易擴展、低成本、低功耗方案實現(xiàn)家居的無線監(jiān)控。本系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測節(jié)點將收集的信息傳送到監(jiān)視主機，監(jiān)視主機可通過“網(wǎng)關-CC2430無線模塊-學習型紅外模塊”發(fā)出命令控制當前的紅外遙控的家電，也可通過“網(wǎng)關-CC2430無線模塊”[2]實現(xiàn)對未來ZigBee控制型家電的控制，從而以便捷、低成本的方式實現(xiàn)對家居的照明、溫/濕度、安全和電器的智能監(jiān)控。另外，只需將監(jiān)視主機接入遠程網(wǎng)絡，該系統(tǒng)便能實現(xiàn)對家居的遠程實時監(jiān)控。

本文重點介紹基于ZigBee技術的遙控家電與現(xiàn)行常用紅外遙控家電的兼容[3]和集成及對家居環(huán)境的實時監(jiān)測[4]等方面的研究，最終實現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡的智能家居[5]。針對ZigBee技術本身的低功耗、低成本和低時延、易擴展等優(yōu)勢，保證了信息傳輸和反饋的及時性，并提高了家電遙控設備系統(tǒng)擴展的整體性能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)視節(jié)點、傳感器檢測節(jié)點[5]、紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點。監(jiān)視節(jié)點能夠建立并維護ZigBee網(wǎng)絡[6]，同時負責與監(jiān)控主機的通信。一旦監(jiān)控主機接入遠程網(wǎng)絡，該系統(tǒng)即可升級實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。傳感器檢測節(jié)點負責采集家庭光照、溫度、空氣質(zhì)量等環(huán)境信息。紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點可根據(jù)采集的信息通過紅外線實時控制空調(diào)、燈光等傳統(tǒng)紅外型家電，而對于未來的ZigBee控制型家電，通過CC2430模塊便可實現(xiàn)兼容控制。

2 硬件設計

2.1 CC2430無線收發(fā)模塊

CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，它結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆小巧高效的8051控制器。圖2為CC2430的一種典型應用電路[7]。該電路使用了一個非平衡天線，這樣可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341，L321，L331以及一個PCB 微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C191和C211)構(gòu)成;32.768 kHz的晶振電路由1個32.768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C441和C431)構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 CC2430典型硬件應用電路

2.2 傳感器監(jiān)測節(jié)點

監(jiān)測節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)采用CC2430作為微處理器，采用DS18B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質(zhì)量傳感器探測家居環(huán)境情況。檢測節(jié)點電路圖設計如圖3所示。

圖3 傳感器檢測節(jié)點電路

2.3 紅外控制節(jié)點

紅外控制節(jié)點以CC2430作為微處理器，采用一體化的紅外接收頭接收紅外信息，以24C64作為存儲模塊存儲學習到得紅外編碼，考慮到紅外發(fā)射的距離和有效性，電路紅外發(fā)射管加入了2個三極管進行兩級發(fā)大。紅外收發(fā)部分電路設計如圖4所示。

圖4 紅外收發(fā)模塊

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 監(jiān)視節(jié)點

監(jiān)視節(jié)點既要完成ZigBee網(wǎng)絡的建立和維護，包括新節(jié)點的加入和原有節(jié)點的退出管理[8];也要讀取并處理監(jiān)測節(jié)點的信息:讀取溫度、光敏、空氣質(zhì)量傳感器的信息并作出相應的反應;還要發(fā)送控制命令到控制節(jié)點:根據(jù)通過傳感器讀取的居室信息控制相應的家電。監(jiān)測節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。

3.2 傳感器監(jiān)測節(jié)點

傳感器監(jiān)測節(jié)點的軟件設計主要是對溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質(zhì)量傳感器的驅(qū)動函數(shù)的編寫，限于篇幅在此不作過多闡述。

3.3 紅外控制節(jié)點

紅外信號的接收和編碼發(fā)射是紅外控制節(jié)點的研究重點，處理思想是:不管遙控器編碼[9]是什么格式，把原遙控器所發(fā)出的信號進行精確測量并緩存，對緩存高低電平、時寬等特征參數(shù)進行分析并識別分類，對提取系統(tǒng)碼及參數(shù)進行編號存儲，當需要發(fā)射時，再讀出儲存器內(nèi)系統(tǒng)碼與特征參數(shù)并附加上用戶的操作碼發(fā)射出去。此方式的工作過程分以下幾步完成:對原始發(fā)射信號波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號、存儲信號、發(fā)射信號。

圖5 監(jiān)視節(jié)點軟件流程圖

紅外信號接收流程圖如圖6所示。接收信號波形的測量，需采用較高速主控制芯片，對原始信號的進行精密采集，同時采用了比較大的RAM作為信號的緩存。分析判別信號主要是對采集到的信號進行分析，比如對信號的發(fā)送周期、引導碼電平時間、數(shù)據(jù)編碼高低電平的時間、編碼位數(shù)據(jù)等參數(shù)進行細致分析，判斷出編碼類別，提取出特征參數(shù)便于下一步的存儲。

紅外信號發(fā)射流程圖如圖7所示。

圖6 紅外信號接收流程圖

圖7 紅外信號發(fā)射流程圖

信號還原發(fā)射是根據(jù)編碼類型查表率獲得特征參數(shù)，再調(diào)用發(fā)射函數(shù)將存儲的系統(tǒng)碼附加上用戶的操作碼調(diào)制發(fā)射出去。

4 結(jié) 語

目前，市場上基于ZigBee技術的家居電器[10]還只處在設計或者小范圍生產(chǎn)的階段，而紅外遙控型家電占據(jù)著大部分市場。著眼于ZigBee本身的技術優(yōu)勢和未來發(fā)展趨勢，結(jié)合當前占據(jù)主要市場的紅外遙控型家電，本文作者研究開發(fā)了基于ZigBee與紅外的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)。測試表明:該套系統(tǒng)操作性強，可靠性高，成本相對較低，具有非常廣闊的市場應用前景。由于現(xiàn)有的技術研究尚不成熟，進行的只是一些初步的技術嘗試，還有一些亟待完善的地方，比如，如何實現(xiàn)遠距離的無遙控設備的控制，如何真正實現(xiàn)家居的智能化，如何在家庭中建立一個小型的智能控制局域網(wǎng)等，這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進行更深入的探究。

參考文獻

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