張 強(qiáng)，趙石磊

(哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150036)

1 引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展極大促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)信息化的發(fā)展，人們也越來(lái)越享受高科技給生活帶來(lái)的便利。人們對(duì)住宅的智能化需求程度越來(lái)越高，迫切需要住宅的智能化程度更高、環(huán)境更舒適、更安全可靠。作為智能家居系統(tǒng)子系統(tǒng)之一的智能門(mén)窗，是在傳統(tǒng)門(mén)窗的基礎(chǔ)上，綜合利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)門(mén)窗各種信息的采集、傳輸、處理和控制。

所設(shè)計(jì)的智能窗控制系統(tǒng)是以ZigBee技術(shù)、GSM技術(shù)、傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)的，既能根據(jù)風(fēng)雨、盜情、室內(nèi)煙霧狀態(tài)自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗體，還能實(shí)現(xiàn)戶(hù)主的手機(jī)短信控制窗體，并且能夠?qū)崟r(shí)了解窗體的運(yùn)行狀態(tài)，為人們提供安全、便利舒適的生活環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，即中心控制模塊、傳感器模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集必要的室內(nèi)外環(huán)境信息并返回給中心控制模塊;中心控制模塊對(duì)返回的信息進(jìn)行分析、處理，并發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊;執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊根據(jù)中心控制模塊的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)如下:

(1)中心控制模塊:中心控制模塊的系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 中心控制模塊框圖

單片機(jī):采用飛思卡爾公司的8位單片機(jī)MC9S08GB60，它是一款低功耗，高性能的單片機(jī)，片內(nèi)含8kb可反復(fù)擦寫(xiě)只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)和256kb隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，MC9S08GB60單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。

GSM模塊:采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的TC35i模塊，工作頻段為雙頻，且GSM網(wǎng)覆蓋范圍廣泛，并具有較低的誤碼率和極低的成本。GSM模塊通過(guò)串行總線(xiàn)RS232與單片機(jī)連接，向用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，方便用戶(hù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)。

ZigBee模塊:采用DIGI公司的ZigBee產(chǎn)品—XBee，XBee具備諸多功能特性，其單點(diǎn)覆蓋距離跟據(jù)其版本不同，輸出功率不同而不同。具備自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，聯(lián)網(wǎng)時(shí)間短，僅30ms即可完成。而且，其工作模式通過(guò)AT指令進(jìn)行設(shè)定，操作較為簡(jiǎn)單易學(xué)，用戶(hù)可以通過(guò)自身項(xiàng)目需要建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系。

中心控制模塊的Xbee模塊與傳感器模塊以及執(zhí)行模塊的Xbee組成星形網(wǎng)絡(luò)并作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器模塊的傳感數(shù)據(jù)，并將指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(2)傳感器模塊:傳感器模塊的系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

圖2 傳感器模塊框圖

單片機(jī):采用與中心控制模塊相同的單片機(jī)，即飛思卡爾公司的8位單片機(jī)MC9S08GB60，負(fù)責(zé)采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理、通過(guò)Xbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制模塊。

ZigBee模塊:使用Xbee模塊，此模塊作為Xbee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與協(xié)調(diào)器組成星狀網(wǎng)絡(luò);與傳感器的控制單片機(jī)使用RS232相連接，負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)往Xbee協(xié)調(diào)器，即中心控制模塊的Xbee。

溫濕度傳感器模塊:采用國(guó)產(chǎn)DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，其與傳感器模塊的控制單片機(jī)通過(guò)單總線(xiàn)相連(I/O口)。

紅外傳感器模塊:采用HC－SR501人體紅外傳感器模塊;其使用簡(jiǎn)單，通過(guò)I/O口與單片機(jī)相連。

煙霧傳感器模塊:采用對(duì)CO氣體、天然氣、液化氣、城市煤氣和煙霧有較好靈敏度的MQ－2型氣體煙霧傳感器，其靈敏度高，使用方便。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

單片機(jī):采用飛思卡爾公司的8位單片機(jī)MC9S08GB60，負(fù)責(zé)接收中心控制模塊的Xbee模塊發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

執(zhí)行機(jī)構(gòu):即窗體開(kāi)關(guān)器，采用的是電動(dòng)螺桿式開(kāi)窗器，通過(guò)繼電器控制。

ZigBee模塊:使用 Xbee模塊。此模塊作為Xbee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與中心控制模塊的協(xié)調(diào)器組成星狀網(wǎng)絡(luò);與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的控制單片機(jī)通過(guò)RS232相連接，負(fù)責(zé)將中心控制模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的命令發(fā)往執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

(1)中心控制模塊

負(fù)責(zé)接收Xbee模塊的各種傳感器數(shù)據(jù)，按照優(yōu)先級(jí)，主要包括以下幾個(gè)部分:

接收紅外傳感器數(shù)據(jù)，判斷窗體附近是否有盜情出現(xiàn)，若有，則立即將窗門(mén)關(guān)閉，同時(shí)發(fā)送報(bào)警短信到用戶(hù)手機(jī)上，告知用戶(hù)有盜情發(fā)生。

接收煙霧傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否超過(guò)設(shè)定閾值，若超過(guò)，則立即將窗門(mén)打開(kāi)，同時(shí)發(fā)送報(bào)警短信到用戶(hù)手機(jī)上，告知用戶(hù)室內(nèi)有煙霧產(chǎn)生。

接收溫濕度數(shù)據(jù)，若超過(guò)設(shè)定閾值，則將窗門(mén)關(guān)閉，同時(shí)將關(guān)窗動(dòng)作及原因發(fā)送告知信息到用戶(hù)手機(jī)上。

判斷是否收到來(lái)自戶(hù)主手機(jī)的短信控制開(kāi)關(guān)窗戶(hù)的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)窗動(dòng)作。其主程序流程圖如圖3所示。

(2)傳感器模塊

單片機(jī)與DHT11之間的通訊，采用單總線(xiàn)方式，DHT11不主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。單片機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，DHT11轉(zhuǎn)換為高速模式，單片機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，隨后送出完整的40bit數(shù)據(jù)(包括溫度和濕度數(shù)據(jù))。

單片機(jī)與人體紅外傳感器模塊之間采用I/O口直接連接方式，當(dāng)紅外傳感器模塊檢測(cè)有人時(shí)，輸出為高電平，無(wú)人時(shí)為低電平。

煙霧傳感器通過(guò)ADC與單片機(jī)相連接，將檢測(cè)到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)再經(jīng)ADC傳入單片機(jī)內(nèi)部?？芍苯邮褂肕C9S08GB60單片機(jī)內(nèi)嵌的ADC模塊來(lái)完成。

圖3 中心控制模塊軟件流程圖

圖4 傳感器模塊軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中使用單片機(jī)、GSM模塊、傳感器等器件實(shí)現(xiàn)窗體的智能控制。經(jīng)過(guò)調(diào)試后，智能窗系統(tǒng)很好地完成了設(shè)計(jì)要求。另外，本設(shè)計(jì)方案還可以推廣應(yīng)用到大部分家用電器上，比如電燈、洗衣機(jī)、電冰箱等電氣的手機(jī)短信控制上，具有廣闊的技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化前景。

［1］趙石磊，李文越，李金剛.基于MC9S08GB60的智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2013，(26)4:122－123.

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