張 毅,張靈至,盧 威

(重慶郵電大學(xué) 通信學(xué)院，重慶 400065)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始受到人們的廣泛關(guān)注和重視，并被視為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[1]。同時(shí)，如何通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改善居家環(huán)境和辦公環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)備的集中控制、節(jié)能控制和智能化管理[2]也成為人們?nèi)找骊P(guān)注的熱點(diǎn)。但當(dāng)今我們所使用的家電大部分仍采用紅外協(xié)議進(jìn)行控制，如，空調(diào)、投影儀和DVD等，致使這些紅外家電不能快速、有效地融入物聯(lián)網(wǎng)中。而無論是對這些家電進(jìn)行改造或是重新設(shè)計(jì)都將延長研發(fā)周期，增加研發(fā)成本，提高設(shè)備價(jià)格，這也正是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣艱難的重要原因之一。因此，設(shè)計(jì)一套使現(xiàn)有紅外家電在不做任何改造的情況下即可順利融入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的系統(tǒng)是十分必要的。同時(shí)對物聯(lián)網(wǎng)的推廣具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的ZigBee-紅外控制系統(tǒng)依次分為上位機(jī)控制中心、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備三部分。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分由ZigBee協(xié)調(diào)器和基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制的ZigBee-紅外遙控組成?？刂浦行耐ㄟ^串口向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)器在接收到控制指令后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制信息發(fā)送給對應(yīng)ZigBee-紅外遙控節(jié)點(diǎn),并由該節(jié)點(diǎn)發(fā)射對應(yīng)的紅外信號,實(shí)現(xiàn)基于ZigBee無線通信技術(shù)的紅外家電控制。

系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分采用TI公司的無線SoC集成芯片CC2530[3]以及TI2007版ZigBee協(xié)議棧。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將電路分為CC2530核心板與各功能不同的擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)同一核心板與不同擴(kuò)展板的配合使用。這樣的好處在于針對不同的應(yīng)用場景只需選取不同的擴(kuò)展板，而不必對核心板進(jìn)行修改。CC2530核心板包含CC2530芯片和RF收發(fā)電路，并引出芯片的主要I/O口與擴(kuò)展板結(jié)合。根據(jù)功能的不同，擴(kuò)展版分為ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee-紅外遙控兩種。

2.1 ZigBee-紅外遙控電路

ZigBee-紅外遙控由CC2530核心板和ZigBee-紅外遙控?cái)U(kuò)展板兩部分組成。其擴(kuò)展版主要包括嵌入式微處理器、紅外收/發(fā)模塊和電源模塊等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)低成本、高實(shí)時(shí)性的遙控，遙控的嵌入式微處理器選用由NXP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M0內(nèi)核的LPC1114。該微處理器的CPU頻率可到50 MHz，同時(shí)包含高達(dá)32 KB片內(nèi)Flash存儲器和8 KB數(shù)據(jù)存儲器，4個(gè)通用計(jì)時(shí)器以及多達(dá)42個(gè)通用I/O引腳[5]。同時(shí)為進(jìn)一步提高遙控的實(shí)時(shí)性，減小軟件負(fù)載，遙控不采用任何嵌入式操作系統(tǒng)。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器電路

ZigBee協(xié)調(diào)器由CC2530核心板和協(xié)調(diào)器擴(kuò)展板兩部分組成。其擴(kuò)展版主要包括電源和開關(guān)模塊、UART串口模塊以及編程下載模塊。其框圖如圖3所示。

由于ZigBee協(xié)調(diào)器是一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者和協(xié)調(diào)者，同時(shí)還是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部與外部通信的樞紐[4]，因此協(xié)調(diào)器必須一直處于活躍狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)選用220 V AC/DC穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊為協(xié)調(diào)器提供持續(xù)穩(wěn)定的電源電壓，并設(shè)有電源開關(guān)。

2.3 協(xié)調(diào)器電源電路

由于CC2530由3.3 V電壓供電，因此協(xié)調(diào)器電源電路需設(shè)計(jì)為3.3 V電壓輸出，如圖4所示。

首先由JP1電源接口輸入220 V交流電，經(jīng)過AC/DC電源模塊輸出5 V直流電源。再經(jīng)過SPX1117-3.3 V LDO芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓。SPX1117-3.3 V芯片的輸出電流可達(dá)800 mA，輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含基于TI Z-Stack軟件構(gòu)架的ZigBee程序設(shè)計(jì)、嵌入式微處理器程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)控制中心軟件設(shè)計(jì)三部分。

3.1 ZigBee程序設(shè)計(jì)

基于Z-Stack軟件構(gòu)架的ZigBee程序設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)和ZigBee-紅外遙控程序設(shè)計(jì)兩部分。它們同樣采用TI 2007版ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧的特點(diǎn)在于很好地支持了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈合。同時(shí)，相對于2006版的ZigBee協(xié)議棧，2007版協(xié)議棧還增加了支持多密鑰高安全性、支持大型網(wǎng)絡(luò)、支持分割傳輸?shù)刃绿匦浴?/p>

ZigBee協(xié)議棧通過輪詢的方式依次查詢來自MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件抽象層、應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)層和應(yīng)用層的任務(wù)，并按優(yōu)先級由高至低的順序依次處理[6]。

本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于建立穩(wěn)定可靠的、能自組織的ZigBee網(wǎng)絡(luò),同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的紅外家電控制。ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee-紅外遙控主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1)協(xié)調(diào)器依據(jù)ZigBee協(xié)議棧，在Z_Stack架構(gòu)下，組建了一個(gè)低功耗、自組織、可多跳和可靠健壯的樹形無線網(wǎng)絡(luò)。

(2)協(xié)調(diào)器將來自上位機(jī)控制中心的控制信息按照預(yù)定義的幀格式構(gòu)造成發(fā)射數(shù)據(jù)，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)的遙控節(jié)點(diǎn)。

(3)遙控節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后按照預(yù)定義的幀格式解析數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的紅外家電控制。

(4)通過遙控節(jié)點(diǎn)上的不同傳感器對室內(nèi)溫度、濕度等信息進(jìn)行采集，并將采集到的信息通過上位機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度的監(jiān)控。

如圖5所示，根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)的類型、編號、功能指令和操作類型等參數(shù)定義數(shù)據(jù)幀格式。

圖5 通信協(xié)議幀格式

3.2 嵌入式微處理器程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)集中控制，同一遙控節(jié)點(diǎn)需對不同紅外家電進(jìn)行控制[7]，因此遙控節(jié)點(diǎn)需具有一定紅外學(xué)習(xí)能力。由于當(dāng)前家電所采用的紅外協(xié)議紛繁復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)紅外協(xié)議的統(tǒng)一并不現(xiàn)實(shí)。因此，為了避開紛繁復(fù)雜的碼型，本系統(tǒng)中的遙控采用記錄紅外信號高低電平脈沖寬度的方式實(shí)現(xiàn)紅外信號的學(xué)習(xí)[8]。

設(shè)計(jì)思路為，通過嵌入式微處理器實(shí)現(xiàn)紅外信號的學(xué)習(xí)、存儲以及發(fā)射。當(dāng)進(jìn)入紅外學(xué)習(xí)狀態(tài)后，首先使能LPC1114 GPIO 2的雙邊沿觸發(fā)中斷，并等待紅外信號。當(dāng)檢測到紅外信號下降沿時(shí)，進(jìn)入中斷處理函數(shù)，開啟計(jì)數(shù)器，直到紅外信號出現(xiàn)邊沿跳變時(shí)再次進(jìn)入中斷處理函數(shù)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，記錄低電平脈沖寬度。同時(shí)再次啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，開始記錄高電平脈沖寬度。直至檢測到脈沖寬度大于60 ms時(shí)，判斷為紅外信號發(fā)送完畢，結(jié)束學(xué)習(xí)過程。最后將學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)存入存儲器中。

以下為紅外學(xué)習(xí)中斷處理函數(shù)代碼[5]：

LPC_GPIO2-＞IC|=Signal_In;

LPC_TMR16B0-＞TCR=0x00;

IR_Data[Ram_Point]=LPC_TMR16B0-＞TC;

LPC_TMR16B0-＞TC=0;

LPC_TMR16B0-＞TCR=0x01;

Ram_Point++;

判斷紅外信號發(fā)射完畢程序代碼：

if(LPC_TMR16B0-＞TC＞=60000){

NVIC_DisableIRQ(EINT2_IRQn);

隨著當(dāng)前國內(nèi)居民用電量的增大，生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì)量水平的不斷增強(qiáng)，也為我國電力行業(yè)的未來發(fā)展提供便利的條件。當(dāng)前國內(nèi)對用電需求量的提升也使得電力系統(tǒng)擴(kuò)大電網(wǎng)的覆蓋面積。處于這種時(shí)代背景下的電力系統(tǒng)，相關(guān)從業(yè)人員就要不斷增強(qiáng)其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和有效性，進(jìn)而才可以不斷滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)的信息化發(fā)展要求。在本質(zhì)上來看我國經(jīng)濟(jì)體系發(fā)展，人民日常生活和電力能源產(chǎn)生直接聯(lián)系，因此相關(guān)領(lǐng)域人員要有效掌控電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，滿足人民對于電能日益增長的使用需求。除此之外，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中對于信息化技術(shù)的大力應(yīng)用也可以對電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的故障問題進(jìn)行有效判斷。

LPC_TMR16B0-＞TCR=0x00;}

紅外信號的發(fā)射過程采用匹配中斷的方式實(shí)現(xiàn)。首先將學(xué)習(xí)到的脈寬數(shù)據(jù)加載到LPC1114的32位計(jì)數(shù)器中，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)器中預(yù)裝載的值相匹配時(shí)，產(chǎn)生匹配中斷。以下為紅外發(fā)射中斷處理函數(shù)代碼：

LPC_TMR32B0-＞IR=0x01;

Ram_Point++;

LPC_TMR32B0-＞MR0=

IR_Data[Ram_Point];

if(Ram_Point%2==0)

Signal_ON();

嵌入式微處理器的程序流程圖如圖6所示。

圖6 嵌入式微處理器程序流程圖

遙控的載波由16位計(jì)數(shù)器通過匹配反轉(zhuǎn)輸出的方式產(chǎn)生。該方法極大地提高了載波的穩(wěn)定性[9]，同時(shí)減少額外器件，降低成本。圖7為通過邏輯分析儀獲取的某一紅外信號與本遙控所學(xué)信號間的對比圖。由于紅外接收頭會將接收到的紅外信號反向，因此，原信號與學(xué)習(xí)信號剛好高低電平相反。通過圖7的波形對比可看出該遙控已成功實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能。

3.3 上位機(jī)控制中心軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制中心的軟件設(shè)計(jì)選用Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境，并采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#[10]。主要實(shí)現(xiàn)對各遙控節(jié)點(diǎn)的可視化控制，并實(shí)時(shí)顯示由各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)?？刂浦行脑O(shè)計(jì)有串口調(diào)試窗口以便于對PC和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的串口通信進(jìn)行調(diào)試。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試借助于上位機(jī)控制中心、ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee-紅外遙控。選用一間配備有空調(diào)和投影儀的普通房間作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并將房間內(nèi)的空調(diào)和投影儀作為實(shí)驗(yàn)對象。

首先，用ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；其次，各ZigBee-紅外遙控節(jié)點(diǎn)依次加入網(wǎng)絡(luò)中；然后，通過上位機(jī)控制中心對相應(yīng)遙控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令；最后，觀察房間內(nèi)空調(diào)與投影的工作狀況。

測試過程中控制中心能實(shí)現(xiàn)對房間內(nèi)空調(diào)和投影的有效控制，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明該系統(tǒng)效果良好。

本文所設(shè)計(jì)的面向物聯(lián)網(wǎng)家電的ZigBee-紅外控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)控制中心、ZigBee協(xié)調(diào)器和Zig-Bee-紅外遙控。它實(shí)現(xiàn)在不對現(xiàn)有紅外家電做任何改造的情況下使其快速、有效地融入到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，達(dá)到對紅外家電的集中控制、節(jié)能控制和智能化管理。本系統(tǒng)成本低、功耗低、性能優(yōu)越，并具有良好的可擴(kuò)展性。不僅能滿足普通家庭需求，同時(shí)還可應(yīng)用在如政府機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院等場合。因此本系統(tǒng)具有使用和推廣價(jià)值。

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