王青磊, 雷景生, 劉大明

(上海電力學(xué)院 a.電子與信息工程學(xué)院, b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海　200090)

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基于ZigBee的家電遠程控制技術(shù)研究

王青磊a, 雷景生b, 劉大明b

(上海電力學(xué)院 a.電子與信息工程學(xué)院, b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海200090)

摘要:為了解決現(xiàn)代家用電器種類多、操作復(fù)雜、管理難等問題,利用ZigBee技術(shù)、計算機控制技術(shù)和傳感器技術(shù),提出了基于ZigBee的家電遠程控制技術(shù).研究了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的硬件平臺搭建,以及無線傳感器節(jié)點控制模塊的硬件設(shè)計.無線傳感器技術(shù)在家電遠程控制中具有較好的應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù); 家電遠程控制; 協(xié)調(diào)器; 傳感器節(jié)點

近幾年,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]受到了越來越多的關(guān)注,得到了廣泛的研究[2-4],其作為大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、無線辦公及樓宇自動化等領(lǐng)域.

ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù),能夠很好地解決在低成本、低功率、低復(fù)雜度、低傳輸速率和小范圍的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的無線通信.它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已經(jīng)得到國內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注,并隨著傳統(tǒng)家居正朝無線遠程控制、多媒體控制和數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)姆较虬l(fā)展.ZigBee技術(shù)為傳統(tǒng)家居和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,為智能家居提供了很好的技術(shù)支持,文獻[5]和文獻[6]基于ZigBee無線通信技術(shù)提出了對室內(nèi)溫度控制的方案和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng).

為實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家電控制領(lǐng)域的應(yīng)用,本文提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家電控制系統(tǒng)的設(shè)計方案,實現(xiàn)了通過移動手機或個人電腦對家用電器進行無線遠程智能控制的實驗?zāi)康?

1家電智能控制系統(tǒng)的硬件平臺

在本文設(shè)計的家電智能控制系統(tǒng)中,硬件平臺的搭建是關(guān)鍵,它對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性、快速性、節(jié)能性都有直接的影響.它是實現(xiàn)對整個家居環(huán)境中家用電器的無線遠程智能控制的基礎(chǔ).

整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示.

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包括ZigBee協(xié)調(diào)器與周圍的子節(jié)點,本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中ZigBee協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心模塊,而電器控制節(jié)點(溫度傳感器,濕度傳感器,光照傳感器,電壓電流采集器等)則為周圍子節(jié)點.

ZigBee協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是實現(xiàn)電器控制節(jié)點和外接擴展網(wǎng)絡(luò)之間的通信,電器控制節(jié)點的任務(wù)就是采集數(shù)據(jù)、大量數(shù)據(jù)傳輸及實現(xiàn)電器控制.前者主要被分為關(guān)鍵控制模塊(協(xié)調(diào)子節(jié)點的無線收發(fā)模塊)、網(wǎng)絡(luò)接收模塊和GPRS通信模塊等；后者是由終端接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊等組成.遠程控制端是個人的移動手機或者互聯(lián)網(wǎng)電腦.

2ZigBee協(xié)調(diào)器

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計是以S3C2410X嵌入式微處理器為核心.無線收發(fā)模塊使用的是cc2420射頻芯片,該射頻芯片帶有基帶調(diào)制解調(diào)器,并對介質(zhì)訪問層提供支持,只需要天線和16 MHz晶體等非常少的外圍電路就可以組成無線收發(fā)模塊.GPRS模塊被用于移動互聯(lián)端的長距離數(shù)據(jù)傳輸,GPRS模塊只需要微處理器芯片MC35i和外圍電路就可實現(xiàn),GPRS接口被用于協(xié)調(diào)器與移動手機之間的通信.Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口用于協(xié)調(diào)器和遠程計算機之間的通信.

協(xié)調(diào)器由外擴存儲器(Flash/SDRAM)、無線收發(fā)模塊(cc2420)、Ethernet接口模塊、GPRS通信模塊、電話語音控制模塊、觸摸屏顯示模塊、電源和時鐘模塊、復(fù)位電路等組成,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

協(xié)調(diào)器可實現(xiàn)家電的多種遠程智能控制:在本地利用觸摸屏進行控制,設(shè)有一塊觸摸屏顯示器,便于使用者在本地對家電的狀態(tài)進行設(shè)置和查詢,如家居環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)測、家電控制狀態(tài)等;無線遠程控制,在家電控制節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處由cc2420芯片搭建無線通信模塊,同時在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處利用GPRS和Ethernet接口來實現(xiàn)移動互聯(lián)遠程控制,用戶可使用移動手機或計算機采用瀏覽器端/服務(wù)器達到隨時隨地監(jiān)測家居環(huán)境數(shù)據(jù)和遠程控制家用電器的目的.

ZigBee協(xié)調(diào)器建立并維護家電智能控制無線傳感網(wǎng)絡(luò),它將來自嵌入式微處理器的控制指令通過無線發(fā)送模塊轉(zhuǎn)發(fā)到家電控制節(jié)點,并接收來自家電控制節(jié)點的數(shù)據(jù).家庭網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的通信樞紐,它負責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)的建立,以及與許多的終端節(jié)點(家電控制節(jié)點)之間數(shù)據(jù)傳輸和控制.

ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程包括系統(tǒng)的初始化、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的更新以及節(jié)點之間的通信等,具體如圖3所示.當(dāng)系統(tǒng)運行時,家庭網(wǎng)關(guān)必須能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變,并且實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自組織.

3家電控制節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計中,傳感器節(jié)點設(shè)計是關(guān)鍵和基礎(chǔ),傳感器節(jié)點在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)中處于最底層,它不僅承擔(dān)為終端采集數(shù)據(jù)的任務(wù),同時還要接受和執(zhí)行來自控制終端的指令數(shù)據(jù),并且實現(xiàn)家電控制信號的A/D和D/A轉(zhuǎn)化.傳感器節(jié)點的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行的準確性、節(jié)能性將決定整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作性能.

本文設(shè)計的家電控制系統(tǒng)中的控制節(jié)點主要由能量供應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、節(jié)點控制模塊(數(shù)據(jù)處理模塊)、無線通信模塊、電器控制模塊等組成，其硬件結(jié)構(gòu)原理如圖4所示.

數(shù)據(jù)采集模塊由多種傳感器組合而成,如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、電流電壓傳感器(可以采集家用電器的電壓、電流、功率、功率因子等數(shù)據(jù))等.電源模塊中使用的是TPS79533電源芯片,可以更好地保障整個控制節(jié)點的穩(wěn)定性，減少能量消耗,同時將5 V電壓轉(zhuǎn)化為3 V電壓.家電控制模塊是通過繼電器來實現(xiàn)的.

家電控制節(jié)點的開發(fā)是基于TI 公司的16 位微控制器MSP430芯片,它是整個節(jié)點控制模塊的核心,無線收發(fā)模塊使用的cc2430射頻收發(fā)芯片.MSP430與cc2420之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過SPI總線方式實現(xiàn)的,前者采用主模式,后者采用從模式.

3.1傳感器節(jié)點控制模塊

控制模塊的核心是MSP430F1611芯片,其低成本和低功耗的特點可以優(yōu)化家電控制節(jié)點的能耗問題.MSP430F1611芯片集成有2個16位的定時器,三通道內(nèi)部DMA,一個快速的12位A/D轉(zhuǎn)換器,一個雙12位的D/A轉(zhuǎn)換器.同時,還有兩個串行通訊接口,其中一個串行接口(USART0)集成有3種異步通訊方式的接口,即SPI,UART，I2C,另外一個集成了兩種異步通訊接口,即SPI和UART,完全能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩7].在本文中采用了SPI 通信方式.

控制模塊的功能主要是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理和存儲,響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸,執(zhí)行控制終端的控制命令.

3.2傳感器節(jié)點無線通信模塊

節(jié)點通信模塊使用的是Chipcon公司推出cc2420芯片,是一款符合IEEE802.15.4協(xié)議中2.4 GHz頻段的低能耗射頻無線收發(fā)芯片,帶有直接序列擴頻的基帶調(diào)制解調(diào)器,其有效數(shù)據(jù)傳輸速率達250 kB/s.對介質(zhì)訪問層提供支持,介質(zhì)訪問層的數(shù)據(jù)幀格式為:頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀;PHY層的幀格式為:同步幀+頭幀+MAC幀,幀頭數(shù)據(jù)的長度可以通過寄存器設(shè)置來改變.微處理器MSP430通過SPI總線與cc2420無線收發(fā)芯片相連,控制器(MSP430)充當(dāng)SPI主器件,cc2420無線收發(fā)芯片充當(dāng)從器件.cc2420無線收發(fā)器與微處理器芯片MSP430的接線圖如圖5所示.

cc2420只需要極少的外圍元器件,其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路、微控制器接口電路3個部分[8].

cc2420通過4線SPI總線(SI，SO，SCLK，

CSn)來設(shè)置芯片的工作模式,并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù),讀/寫狀態(tài)寄存器等,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,CSn引腳必須始終保持低電平.微處理器通過控制FIFO和FIFOP引腳來設(shè)置發(fā)射/接收緩存器,通過SFD引腳可以控制時鐘/定時信息的輸入.

電源模塊中CC24K_AVDD是1.8 V電壓,CC24K_DVDD是3.3 V電壓.

cc2420芯片主要完成的任務(wù)是:通過SPI通信串口和MPS430芯片進行通信；通過無線RF實現(xiàn)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的實時通信,響應(yīng)協(xié)調(diào)器發(fā)出的符合節(jié)點地址的通信信號.

3.3家電遠程控制接口電路

整個系統(tǒng)的家電控制模塊主要由家電接口電路組成，如圖6所示.

家用電器的接口電路主要由光耦合器模塊和繼電器模塊組成,多種控制模塊可以實現(xiàn)更多的家電控制,但整個被控設(shè)備的數(shù)量由控制芯片的CPU所限制.在圖6中,光耦合器是一種由電流控制的光電耦合設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電路端子雙向選擇系統(tǒng)的設(shè)計,本文使用的光耦合器是TLP521芯片,工作電壓是5~24 V,0~5 V的模擬輸入電壓可以實現(xiàn)輸入、輸出電信號的良好隔離.當(dāng)微處理器有控制信號發(fā)出時,光耦隔離開關(guān)就能通過控制繼電器的通和斷來實現(xiàn)對家電的控制功能.

4實驗測試

該家電控制技術(shù)設(shè)計完成后,經(jīng)過不斷地調(diào)試、修改,能夠很好地實現(xiàn)對實驗室內(nèi)用電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和智能控制的設(shè)計目標.實際測試中需要個人電腦一臺,終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器各一個,Android手機一部,臺燈一個.

測試過程如下:

(1) 分別將Coordinator和EndDevice的程序下載到協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(控制節(jié)點);

(2) 將終端節(jié)點的傳感器接好;

(3) 安裝電腦上位機程序并運行;

(4) 設(shè)置通信串口和無線路由;

(5) 移動手機端安裝應(yīng)用軟件;

(6) 設(shè)置移動手機的網(wǎng)路設(shè)置;

(7) 檢查試驗結(jié)果(使用手機遠程控制燈具和采集到的傳感器數(shù)據(jù)).

檢查測試結(jié)果如圖7所示.由于終端節(jié)點只有一個,在控制終端的軟件顯示界面中看到1#節(jié)點采集到的溫度和濕度等傳感器參數(shù),并且能夠通過GPRS或WiFi等來控制家電.本文設(shè)計的家電控制技術(shù)可以實現(xiàn)在移動互聯(lián)端遠程控制家電的運行狀態(tài),并能夠采集到環(huán)境中的空氣質(zhì)量、溫度、濕度等.

5結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)

成為一個熱點問題,以ZigBee無線傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的家電遠程控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)準確、實時的家電遠程智能控制功能,解決了家用電器種類多、操作多、管理難的問題,而且該無線控制系統(tǒng)構(gòu)造簡單、控制方便、節(jié)能環(huán)保、外擴能力強,不需要對室內(nèi)線路做任何改動,也不需要額外布線,適合一般家庭使用，在實際的開發(fā)與應(yīng)用中具有重要意義.

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[7]深圳金圖旭昂通訊科技有限公司.CC 2420 中文手冊精華部分 [DB/OL].[2010-06-02].http://wenku.baidu.com/view/a5e7fe2f0066f5335a81213a.html.

[8]Texas Intruments.MSP430 datasheet[EB/OL].[2010-10-11].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f16 11.pdf.

(編輯白林雪)

Appliances Remote Control Technology Research Based on ZigBeeWANG Qingleia, LEI Jingshengb, LIU Damingb

(a.School of Electronics and Information Engineering, b.School of Computer Science and Technology,

Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:In order to solve the problems of the big number of kinds,complex operation,difficult management of modern household appliances,ZigBee technology,computer control technology, sensor technology are utilized and appliances remote control based on ZigBee technology is proposed.Research is conducted on hardware design of the ZigBee wireless sensor network coordinator hardware platform and wireless sensor node control module.Wireless sensor technology has good prospects in household appliance remote control.

Key words:ZigBee technology; appliances remote control; coordinator; sensor node

中圖分類號：TP13;TP212.9

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0083-05

通訊作者簡介：王青磊(1990-),男,在讀碩士,山東泰安人.主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).E-mail:1015625366@qq.com.

收稿日期：2015-06-19

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.018