山東科技大學(xué) 張小飛 柴兆臣 孫崇雨
基于Z i g B e e的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計
山東科技大學(xué) 張小飛 柴兆臣 孫崇雨
文章采用ZigBee芯片結(jié)合相應(yīng)的傳感器來采集家居信息。實現(xiàn)各個ZigBee節(jié)點之間可以進行無線通信,利用手機來無線控制家電設(shè)備,同時實現(xiàn)了家居生活的無線智能化控制,并具有災(zāi)害報警等功能。
智能家居;ZigBee;無線通信;傳感器
隨著生活質(zhì)量的日益改善,人們對家居智能化的要求越來越高,各種家居設(shè)備的高度自動化和智能化已經(jīng)成為一種消費需求。傳統(tǒng)的家居智能控制系統(tǒng)一般采用有線方式來組建,但有線網(wǎng)絡(luò)可擴展性差,限制了有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的發(fā)展。隨著無線的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求逐漸出現(xiàn)在人們的面前,因此各種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)紛紛被制定出來。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù),主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備[1]。ZigBee克服了紅外、藍牙等通信方式的拓展能力不足,以及WiFi的成本過高、功耗較大、嵌入困難等缺點?;赯igBee的這些特點,結(jié)合現(xiàn)代智能家居在控制中的需求,我們選擇了ZigBee作為智能家居中無線通信的方式,設(shè)計了一種基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)以STM32F103VET6為主控芯片,通過對家居生活中的溫度、濕度、光照強度、大氣壓強、有害氣體濃度、可燃氣體濃度、火災(zāi)信號以及一些用戶特殊要求的家居信號的采集。經(jīng)預(yù)濾波、AD轉(zhuǎn)換、非線性變換、電壓轉(zhuǎn)換比較、信號運算等預(yù)處理之后我們再將得到的數(shù)字信號通過ZigBee射頻電路發(fā)送出去并經(jīng)指定的ZigBee模塊接收,指定ZigBee模塊接收到數(shù)據(jù)并判斷此數(shù)據(jù)類型,通過數(shù)據(jù)對比之后進行數(shù)據(jù)顯示、災(zāi)害報警等相應(yīng)處理。系統(tǒng)通過手機APP對家用電器實現(xiàn)智能遙控[2]。
基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)由3個基本結(jié)構(gòu)組成,分別是傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收處理部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分。這三個基本結(jié)構(gòu)之間進行相互通信,構(gòu)成一個整體系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分用來采集溫度、濕度、光照強度、大氣壓強、有害氣體濃度、可燃氣體濃度、火災(zāi)信號。數(shù)據(jù)接收處理部分將接收到的信息進行相應(yīng)的處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分利用WiFi芯片,組成ZigBee-WiFi網(wǎng)絡(luò)中樞將ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過WiFi芯片控制ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的各個ZigBee節(jié)點,通過手機或上位機連接WiFi局域網(wǎng)實時監(jiān)控家居信息及控制家居設(shè)備[3]。
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示:
圖1 基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)總體框圖
2.1 芯片選擇
本次設(shè)計選用TI公司推出的ZigBee射頻芯片——CC2530,具體型號為TI SOC CC2530F256,使用該芯片設(shè)計的ZigBee模塊工作在2.4GHz頻段,只需要較少的外圍器件之間的配合就可以實現(xiàn)Zig-Bee信號的收發(fā)功能[4]。
2.2 AD轉(zhuǎn)換電路
本次設(shè)計選取PCF8591 AD/DA轉(zhuǎn)換器來進行AD/DA轉(zhuǎn)換。一是由于ADC外設(shè)的設(shè)置復(fù)雜,轉(zhuǎn)換精度模糊;二是減輕編程壓力,提高設(shè)計效率。PCF8591 AD/DA轉(zhuǎn)換器電路圖以及與CC2530芯片連接的引腳圖如圖2所示。
2.3 傳感器的選擇
考慮到家居環(huán)境所涉及的物理信息,本次設(shè)計選取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來采集溫濕度信號。光敏電阻器用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換?;鹧?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器進行火災(zāi)報警及防范。
圖2 AD轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)利用CC2530芯片中ZigBee協(xié)議棧規(guī)范的ZigBee 2007標(biāo)準(zhǔn),將傳感器數(shù)據(jù)的采集、射頻中斷函數(shù)、發(fā)送函數(shù)等關(guān)鍵部分的程序經(jīng)數(shù)據(jù)包配置后一數(shù)據(jù)幀數(shù)組的的形式發(fā)送給接收模塊,其中傳感器數(shù)據(jù)的采集包括溫濕度數(shù)據(jù)的讀取、AD轉(zhuǎn)換等,AD轉(zhuǎn)換部分還需要進行I2C總線的配置。
系統(tǒng)通過手機客戶端利用WiFi改變ESP8266的IO口狀態(tài)。當(dāng)與ESP8266連接的ZigBee模塊檢測到這種改變后,通過傳送到ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的手機控制信息實現(xiàn)家居設(shè)備的控制[5]。在硬件設(shè)計部分說過本次設(shè)計的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞是利用ESP8266的GPIO控制的功能,來對ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的家電進行控制。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分的軟件流程圖如圖3所示:
圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞軟件流程圖
本文設(shè)計了一套基于ZigBee無線通信技術(shù)的的智能家居智能家居控制系統(tǒng),通過ZigBee實現(xiàn)了一種聯(lián)網(wǎng)方式,利用Zigbee模塊與具有TCP/IP協(xié)議的硬件進行通信,組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞,從而實現(xiàn)利用這個中樞來控制所有的Zigbee單品。本系統(tǒng)不僅可以實時獲取家居生活中溫度、濕度、光照強度、大氣污染物濃度等物理信息,還可以通過傳感器進行災(zāi)情預(yù)警報警,并通過手機控制家用電器以滿足人們對家居生活智能化,舒適化的需求。
[1]李文仲,斷朝玉 等編著.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.
[2]徐海峰.基于ZigBee智能家居的低功耗節(jié)點設(shè)計[J].綠色科技,2012 (6):277-279.
[3]習(xí)何朝.基于ZigBee技術(shù)的智能家居數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)[D].大連:大連理工大學(xué),2011.
[4]Drew Gislason.Zigbee Wireless Networking[M].Newnes Publishing,2008.
[5]安信可科技.ESP8266系列說明文檔[S].深圳,2014.
張小飛(1990—),男,山東科技大學(xué)電子通訊與物理學(xué)院碩士研究生,研究方向:智能傳感器與信息處理。