作者 / 何諧、井新宇、胡遠(yuǎn)航，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院

?

一種基于ZigBee技術(shù)的智能窗簾控制系統(tǒng)

作者 / 何諧、井新宇、胡遠(yuǎn)航，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院

針對(duì)市面上大多數(shù)電動(dòng)窗簾無法直接連接智能家居物聯(lián)網(wǎng)，集成度較差的情況，運(yùn)用ZigBee技術(shù)、采用CC2530芯片作為主控，由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)PAD等來構(gòu)建一種智能窗簾控制系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)中光線監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)當(dāng)前光線強(qiáng)度，并根據(jù)當(dāng)前光線值和系統(tǒng)時(shí)間來自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的窗簾電機(jī)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的智能光控。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該系統(tǒng)信息傳輸穩(wěn)定，滿足智能家居工程設(shè)計(jì)要求。

ZigBee；窗簾電機(jī)；智能家居；CC2530

引言

目前，隨著人們對(duì)智能舒適生活的不斷追求，智能家居概念的不斷普及，系統(tǒng)的集成度也越來越高，逐步形成了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能家居系統(tǒng)。電動(dòng)窗簾作為智能家居系統(tǒng)必不可缺的一部分，也漸漸走入了我們的日常生活，成為了智能建筑的基本設(shè)施。市面上大多數(shù)電動(dòng)窗簾的控制方式依然是利用紅外遙控窗簾的閉合以及開啟，無法直接連接智能家居網(wǎng)絡(luò)，集成度較差。故設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能窗簾系統(tǒng)，通過構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，無需布線就可將現(xiàn)有的電動(dòng)窗簾集成到系統(tǒng)中，再利用無線光線傳感器節(jié)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)光線強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制窗簾的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)也考慮到人性化的設(shè)計(jì)要求，可將光線值和窗簾狀態(tài)及時(shí)顯示在嵌入式網(wǎng)關(guān)PAD上，并設(shè)置有控制按鈕，兼顧人工手動(dòng)控制。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸技術(shù)，工作頻段為2.4 GHz、 915 MHz 以及868MHz，其中2.4 GHz頻率上可提供250kb/s（16個(gè)信道）的傳輸速率。ZigBee無線傳輸技術(shù)具有低速率、低功耗、低成本的特點(diǎn)，傳輸距離是介于10～100m的短距離。

構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要由三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：半功能節(jié)點(diǎn)（RFD）設(shè)備終端、全功能節(jié)點(diǎn)（FFD）路由節(jié)點(diǎn)以及全功能節(jié)點(diǎn)（FFD）協(xié)調(diào)器。它們之間可由無線通信組成星型、樹形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器都是唯一的，它負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和調(diào)度。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)采用了自組網(wǎng)的技術(shù)，每個(gè)接入點(diǎn)都具備自動(dòng)尋找路徑的功能，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間可直接連接，也可以通過其他節(jié)點(diǎn)跳接，形成“多跳”網(wǎng)絡(luò)。

■1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

智能窗簾系統(tǒng)的主要部分是Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和與其對(duì)應(yīng)的窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器連接嵌入式網(wǎng)關(guān)PAD，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，下圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)上電之后，由協(xié)調(diào)器自動(dòng)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，光線傳感器所連接的終端節(jié)點(diǎn)組成光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將采集到的光線值通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口上傳到PAD，PAD根據(jù)光線值做出合理的調(diào)配，發(fā)送指令回傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)，窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)是由終端節(jié)點(diǎn)帶動(dòng)窗簾電機(jī)組成，路由節(jié)點(diǎn)起到路由搜索和中繼信號(hào)的作用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 ZigBee核心芯片

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心處理器均為TI新一代系統(tǒng)（SoC）芯片CC2530，它內(nèi)部集成了高性能的射頻（RF）收發(fā)器和增強(qiáng)型的8051控制器核心，支持TI提供的Z-StackTM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。由于CC2530的超低功耗的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由、協(xié)調(diào)器僅需采用電池便可長時(shí)間工作。

■2.2 協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)電路

協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)的CC2530主控電路部分相同，如圖2所示，CC2530芯片的晶振電路包括32 MHz 無源系統(tǒng)主晶振和32.768 kHz的可選時(shí)鐘晶振。射頻（RF）部分的外圍電路主要是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，電路天線可外接SMA膠棒天線。

圖2 CC2530主控電路

協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)在CC2530主控電路的基礎(chǔ)上，再加入指示燈，用于指示網(wǎng)絡(luò)的建立、入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)，設(shè)計(jì)按鍵，用于復(fù)位、定時(shí)通信和即時(shí)通信。另外，協(xié)調(diào)器還設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)換電路，采用SP3232芯片來實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)與DB9接口的電平的轉(zhuǎn)換，便于連接嵌入式網(wǎng)關(guān)PAD。

■2.3 光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)則是在CC2530的主控電路之上連接光線傳感器電路，光線值的測(cè)量采用數(shù)字化的光線傳感器BH1750芯片，構(gòu)成如下圖3所示的光照傳感電路，可測(cè)得光線范圍為0～65535勒克斯 （Lux）。

圖3 光線傳感器電路

圖3中II_SCL和IIC_SDA接CC2530主控電路的P1.3、P1.4引腳，數(shù)據(jù)值的采集由CC2530的8051內(nèi)核控制器來獲取，按I2C總線協(xié)議從BH1750芯片存儲(chǔ)器中取得。而數(shù)據(jù)值在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的信息交換則由射頻（RF）收發(fā)器來完成。由于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路采用3節(jié)1.5V電池串聯(lián)供電，因此必須采用電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為3.3V標(biāo)準(zhǔn)工作電壓才能為CC2530的主電路和光線傳感器電路供電，光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)

■2.4 窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)

窗簾電機(jī)選用杜亞DT82TN型管狀窗簾電機(jī)，它通過轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軌道內(nèi)同步帶，同步帶又帶動(dòng)掛鉤，實(shí)現(xiàn)窗簾的開閉，并內(nèi)帶自動(dòng)限位裝置。該電機(jī)由220V交流供電，帶有干觸點(diǎn)控制接口，通過電話線水晶頭可引出四個(gè)觸頭，其中一個(gè)為COM端，觸頭K1、K2、K3分別與COM端連接，可實(shí)現(xiàn)正傳、反轉(zhuǎn)、停止三種功能。

為實(shí)現(xiàn)由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)來控制該窗簾電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)將電機(jī)控制觸頭分別連接至三路繼電器，由節(jié)點(diǎn)CC2530主電路的I/O口引腳輸出來驅(qū)動(dòng)三路繼電器的通斷，控制干觸點(diǎn)的連接，如圖5為窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)電路框圖。

圖5 窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)電路框圖

圖6所示為單路繼電器模塊電路圖，當(dāng)節(jié)點(diǎn)CC2530主電路的射頻模塊接收到電機(jī)控制信號(hào)時(shí)， CC2530的I/ O口輸出高低電DAP平驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)光電隔離器TLP521將光電信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，又經(jīng)三極管放大，可控制繼電器的吸合。

圖6 單路繼電器控制電路

■2.5 嵌入式網(wǎng)關(guān)PAD

嵌入式PAD網(wǎng)關(guān)的核心是基于Cortex-A8內(nèi)核的CPU OMAP3530，PAD帶有串行口與協(xié)調(diào)器相連，7寸觸摸屏面板可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，1個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)接口用于連接其他集成系統(tǒng)。

3. 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前時(shí)間和測(cè)得光線值調(diào)整窗簾的開閉，形成自動(dòng)控制機(jī)制如下：

1、當(dāng)?shù)竭_(dá)白天定時(shí)時(shí)間，電機(jī)反轉(zhuǎn)6s，打開窗簾，若此時(shí)測(cè)得當(dāng)前光線值未超出警戒閾值900（lux），窗簾保持打開狀態(tài)。若測(cè)得當(dāng)前光線值過大，超過警戒閾值900（lux），則電機(jī)正傳3s，窗簾關(guān)閉一半。

2、當(dāng)?shù)竭_(dá)夜晚定時(shí)，則電機(jī)立即正傳，關(guān)閉窗簾。

3、可通過PAD上的觸摸按鈕，手動(dòng)控制電機(jī)正反停，控制窗簾開閉。

■3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備軟件和PAD上監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)兩部分，這里ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行，自動(dòng)控制機(jī)制由PAD監(jiān)控軟件后臺(tái)實(shí)現(xiàn)。CC2530的程序是在 IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境下通過修改Z -Stack 的SampleApp例程來完成設(shè)計(jì)，PAD監(jiān)控軟件程序是在linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用QT工具進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

4. 系統(tǒng)測(cè)試

將系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置信道Channel、PANID等參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中配置有1個(gè)協(xié)調(diào)器，3個(gè)光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)3個(gè)窗簾控制節(jié)點(diǎn)連接到窗簾電機(jī)，分別安裝到實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)測(cè)試區(qū)域。通過影響實(shí)驗(yàn)室環(huán)境光線的變化，測(cè)得系統(tǒng)能按設(shè)定的規(guī)則正確控制窗簾，也可以接收嵌入式網(wǎng)關(guān)PAD的手動(dòng)控制，最大通信距離可達(dá)到50m。

5. 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智能窗簾系統(tǒng)完成了無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，網(wǎng)關(guān)PAD監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光線和系統(tǒng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中窗簾的智能控制。光線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行復(fù)雜的布線，具有良好的擴(kuò)展性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，系統(tǒng)集成方便，應(yīng)用前景廣闊。

＊ ［1］陳海松，夏繼媛.基于Zigbee技術(shù)的智能窗簾網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012.20（25）：136-138.

＊ ［2］夏軍，唐民欽.基于ZigBee技術(shù)的智能窗簾控制器設(shè)計(jì)［J］.廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2014.30（1）：4～7.

＊ ［3］劉寰，嵇啟春.基于ZigBee的智能窗簾控制系統(tǒng)［J］.裝備制造技術(shù)，2015.3：13～15.

＊ ［4］曾松偉，章云，邱偉強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.34（9）：168-171.

＊ ［5］何輝，龔成瑩.基于Android智能終端的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) ［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015，5：41-43.

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201513137002Y）；江蘇省信息融合軟件工程技術(shù)研究開發(fā)中心開放基金項(xiàng)目（SR201302）