陳小龍，鄭煒超，朱春望

（江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)一詞走入了人們的視線。隨之而來的智能家居系統(tǒng)也成為時(shí)下的熱門[1]。智能家居在發(fā)展的過程中也出現(xiàn)了一些難題，主要表現(xiàn)為以下兩方面：一是現(xiàn)在的智能家居系統(tǒng)大多采用無線通信的方式，無法對(duì)現(xiàn)有的家居設(shè)備進(jìn)行直接控制，特別是現(xiàn)有的紅外設(shè)備種類繁多，無法集中式管理。二是現(xiàn)在的智能家居很少注重對(duì)資源的節(jié)儉，紅外設(shè)備的待機(jī)資源浪費(fèi)尤為明顯。本文提出的基于CC2530的智能無線裝置不但可以很好的對(duì)現(xiàn)有的紅外設(shè)備進(jìn)行集中式的管理而且可以避免待機(jī)資源浪費(fèi)。

1 CC2530簡(jiǎn)介及總體設(shè)計(jì)

TI公司的推出的CC2530是第二代的Zigbee RF收發(fā)器.主要用于2.4 GHz的ISM頻段。其集成了1個(gè)高性能的RF收發(fā)器和1個(gè)優(yōu)化的低功耗的8051微控制器內(nèi)核。具有優(yōu)秀的接收器靈敏度和優(yōu)越的抗干擾性。同時(shí)，CC2530可以配備TI的Remo TI，ZStack或Simplici TI等專有或標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡(jiǎn)化開發(fā)[2]。CC2530作為處理器不僅可以方便的進(jìn)行Zigbee通信，將其IO口擴(kuò)展還可以連接其他通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)多種無線方式對(duì)其控制。

智能無線裝置由CC2530、Zigbee外接天線、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、紅外收發(fā)模塊、傳感器組、繼電器插座和擴(kuò)展模塊組成。監(jiān)控前端的硬件模塊設(shè)計(jì)如圖1所示，WiFi模塊采用了ESP8266模塊，通過UART連接至CC2530。藍(lán)牙模塊使用CC2540模塊，CC2540模塊沒有使用USB轉(zhuǎn)接，直接通過UART連接至處理器。紅外收發(fā)模塊，通過GPIO連接至處理器，紅外發(fā)射通過三極管開關(guān)電路[3]，控制紅外發(fā)光二極管兩端的電壓發(fā)射紅外信號(hào)，紅外接收采用了VS1838紅外一體化接收頭。傳感器組是采用的SHT11溫濕度傳感器，通過IIC連接至CC2530。繼電器插座，通過GPIO連接至處理器，繼電器插座能有效防止待機(jī)資源耗費(fèi)，監(jiān)控前端通過繼電器插座相連，當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，可以通過GPIO直接關(guān)閉電源，防止了待機(jī)資源的耗費(fèi)。

圖1 智能無線裝置總體設(shè)計(jì)Fig.1 The overall design of intelligent wireless device

2 硬件關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 處理器及Zigbee天線電路

智能無線裝置的處理器和Zigbee天線電路圖，如圖2所示。本系統(tǒng)用匹配CC2530芯片的2450BM15A0002代替?zhèn)鹘y(tǒng)CC2530芯片天線電路，2450BM15A0002體積小，功耗低且易焊接，使用2450BM15A0002能更好保證天線抗干擾性和穩(wěn)定性[4]。CC2530芯片外接了32M和32.768 K的晶振，32M的晶振是用于CPU及外設(shè)使用，32.768 K的晶振是專門用于內(nèi)部ZigBee天線。因?yàn)橹悄軣o線裝置的無線通信模塊、紅外收發(fā)模塊、傳感器模塊和繼電器插座均采用外接的形式，所以CC2530的剩余管腳需要全部引出，其中紅外收發(fā)模塊和繼電器插座采用普通管腳即可，而無線通信模塊和傳感器組需要專有的管腳進(jìn)行控制，如：UART、IIC、SPI等功能的管腳。

圖2 處理器及Zigbee電路Fig.2 Circuit of MCU and zigbee

2.2 紅外收發(fā)模塊

紅外收發(fā)模塊如圖3所示，采用8050三極管發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，8050三極管為硅三極管，比普通的三極管更加耐大電流?？紤]到紅外發(fā)射模塊的發(fā)射距離和功耗問題，紅外發(fā)射模塊采用發(fā)射極鉗制輸出電路[5]，通過串聯(lián)兩個(gè)二極管使8050三極管的基極電壓保持不變，使紅外發(fā)光二極管中的電流保持不變從而使紅外控制距離保持不變。

圖3 紅外發(fā)射和接收電路Fig.3 Circuit of IR transmitter and receiver circuit

紅外接收模塊采用VS1838一體化紅外接收頭，紅外接收模塊主要用于少量紅外學(xué)習(xí)編碼和紅外收發(fā)調(diào)試，紅外接收模塊的距離可達(dá)到20米左右。

3 軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)

智能無線裝置的軟件關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)通信功能，需要負(fù)責(zé)接收來自前端的命令控制紅外設(shè)備，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到周圍異常，需要將信號(hào)反饋給前端。其次智能無線裝置需要通過GPIO切斷紅外設(shè)備電源，防止紅外設(shè)備待機(jī)資源浪費(fèi)。

如圖4所示，智能無線裝置接收到前端的命令時(shí)，初始化后對(duì)接收到的信號(hào)種類進(jìn)行判斷，通過后智能無線裝置對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行解析，對(duì)比指令表判斷是否為有效信號(hào)，如果為有效信號(hào)則發(fā)送信號(hào)給紅外設(shè)備。

智能無線裝置需要將傳感器信息反饋給前端。如圖5所示，智能無線裝置接收傳感器信號(hào)后直接對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如果是有效信號(hào)即通過無線模塊給前端發(fā)送反饋信號(hào)。傳感器模塊可能會(huì)檢測(cè)到周圍異常情況，這就要求監(jiān)控前端必須要將信息反饋給前端。傳感器模塊可能會(huì)檢測(cè)到周圍異常情況，這就要求監(jiān)控前端必須要實(shí)時(shí)將信息反饋給前端，所以最后會(huì)做出發(fā)射成功的判斷。

圖4 軟件控制流程Fig.4 Flow of software control

圖5 軟件反饋流程Fig.5 Flow of software feedback

4 測(cè)試分析

紅外設(shè)備采用了自主設(shè)計(jì)以紅外方式控制的電燈，首先通過房間、電器的查找，找到紅外控制燈的模擬遙控器，模擬遙控器上有燈的開關(guān)和燈光強(qiáng)弱控制，通過控制模擬遙控器開關(guān)即可控制燈的開關(guān)，起始狀態(tài)紅外燈的狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。點(diǎn)擊開燈按鍵，電燈很快被打開，如圖6所示，開燈狀態(tài)。

通過智能手機(jī)能夠查看到傳感器數(shù)據(jù)，如圖7所示，智能手機(jī)可以查看到智能無線裝置中緩存的溫度和濕度的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

圖6 開燈狀態(tài)Fig.6 Lights status

圖7 溫濕度數(shù)據(jù)Fig.7 Data of temperature and humidity

基于CC2530的智能無線裝置可以對(duì)紅外設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制，前端裝置也可以接收到智能無線裝置上傳感器監(jiān)測(cè)的信息。對(duì)于防止紅外設(shè)備待機(jī)資源的浪費(fèi)，智能無線裝置通過GPIO口與繼電器插座相連，通過控制IO口就可以直接切斷紅外設(shè)備電源，防止了待機(jī)資源的浪費(fèi)。后期非紅外設(shè)備也可以插入智能無線裝置上的繼電器插座中，這樣前端裝置也可以控制非紅外設(shè)備的開關(guān)。

[1]邵振,章勇,劉培培，等.應(yīng)用于智能家居中的學(xué)習(xí)型紅外模塊設(shè)計(jì)[J].中國電子商情：通信市場(chǎng),2012,(4):27-32.

[2]任志健,莫偉健,萬智萍，等.基于CC2530的Zigbee2007/PRO協(xié)議的無線溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(10):40-43,48.

[3]官飛.三極管的開關(guān)電路[J].河南科技,2013(6):2-3.

[4]王江曼.無線通信中的智能天線技術(shù)研究[D].上海：華東師范大學(xué),2011.

[5]張科.基于ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) [D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué),2013.

[6]楊玉昆.基于Android平臺(tái)的交通調(diào)查數(shù)據(jù)采集方法的研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.