李 敏，孫學(xué)龍，李 均，黨炫楊

(重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 沙坪壩 400044)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高,智能家居逐漸獲得市場(chǎng)廣泛的接受和認(rèn)可。普通窗戶在起風(fēng)下雨時(shí)不能自動(dòng)關(guān)閉,不能自動(dòng)調(diào)整開(kāi)合程度以適應(yīng)風(fēng)、雨、光等環(huán)境變化,給生活帶來(lái)了諸多不便,安裝智能窗已成為越來(lái)越多人的選擇[1-6]。本文討論了一種智能窗戶的設(shè)計(jì)方案,該智能窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)防風(fēng)雨、防盜、防氣體中毒、防煤氣爆炸和反饋調(diào)節(jié)控制等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能窗由機(jī)械傳動(dòng)裝置、傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理電路、步進(jìn)電機(jī)、語(yǔ)音模塊、短信模塊以及顯示模塊組成。其中,機(jī)械傳動(dòng)模塊采用齒輪齒條傳動(dòng),由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶[7]；傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊采用溫濕度傳感器DHT11、有害氣體傳感器MQ-2、人體紅外熱釋電傳感器作為環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器[8-10],通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)建立。

傳感器在電子控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用,是控制系統(tǒng)的輸入量。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)送入無(wú)線模塊,無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)處理后無(wú)線發(fā)送給處理器,處理器根據(jù)數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的操作,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件做出響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié),光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窗戶所處的狀態(tài)并反饋給處理器。出于實(shí)用性,一定的人機(jī)交互是關(guān)鍵和必要的,通過(guò)按鍵、顯示屏和語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,采用不同的設(shè)計(jì)方案。本智能窗控制系統(tǒng)是基于普通的推拉式窗戶設(shè)計(jì)的,具有一定的典型性和代表性。采用的機(jī)械傳動(dòng)方案是齒條齒輪傳動(dòng)方案。齒輪齒條傳動(dòng)具有簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比恒定、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),適合推拉式窗戶的傳動(dòng)。齒輪齒條部分在SolidWorks環(huán)境下的配合圖如圖2所示。齒輪齒條選用的是簡(jiǎn)單的直齒圓柱齒輪,容易加工的漸開(kāi)線齒廓,模數(shù)均為1,以滿足正確嚙合條件。齒輪齒數(shù)可以根據(jù)不同場(chǎng)合的具體需求,具體分析確定。

圖2 齒輪齒條

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器部分

本系統(tǒng)采用多傳感器。其中,溫濕度傳感器選擇DHT11,該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接,集成度高,響應(yīng)快,性能穩(wěn)定；煙霧傳感器選擇對(duì)多種有害氣體和可燃性氣體敏感[2]且閾值可調(diào)的MQ-2；人體傳感器采用紅外熱釋電傳感器,該傳感器是由一種高熱電系數(shù)的材料,如鋯鈦酸鉛系陶瓷、硫酸三甘鈦等制成的,并且在探測(cè)器前安裝菲涅爾透鏡,以增大探測(cè)距離(10～20 m范圍內(nèi)人的行動(dòng)),提高探測(cè)靈敏度。此外,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié),重要的環(huán)節(jié)是給控制系統(tǒng)輸入當(dāng)前窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。本文中設(shè)計(jì)基于推拉式窗戶,采用檢測(cè)白色窗戶邊沿的方法,判定此時(shí)窗戶處于“開(kāi)”還是“關(guān)”狀態(tài)；同時(shí),為保證傳感器在夜晚仍能正常工作,選用紅外對(duì)管作為檢測(cè)窗戶邊沿的傳感器。

3.2 ZigBee無(wú)線傳輸部分

3.2.1 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。該協(xié)議為低功耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供了短距離低速連接的標(biāo)準(zhǔn)。其中IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)滿足ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)OSI參考模式,定義了單一的MAC(媒體訪問(wèn)控制層),以及2.4 GHz物理層和868/915 MHz物理層兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的架構(gòu)示意圖如圖3所示。在IEEE 802.15.4定義的兩個(gè)底層的基礎(chǔ)上ZigBee定義了NWK(網(wǎng)絡(luò)層)、APS(應(yīng)用程序支持子層)、APL(應(yīng)用層)技術(shù)規(guī)范。而用戶在應(yīng)用層可以自行定義一些應(yīng)用對(duì)象。

圖3 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)示意

ZigBee這種雙向無(wú)線通信技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn),主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。在目前的無(wú)線通信技術(shù)中,功耗和成本都是最低的。考慮到本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸量要求不大,但對(duì)低功耗和數(shù)據(jù)傳輸距離有一定的要求,故選擇了ZigBee協(xié)議。

3.2.2 ZigBee協(xié)議棧Z-Stack

ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議(標(biāo)準(zhǔn))都集中在一個(gè)工程文件中,以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn),并給用戶提供API(應(yīng)用層)函數(shù)接口,以方便用戶調(diào)用,完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

Z-stack是挪威半導(dǎo)體公司Chipcon(目前已經(jīng)被TI公司收購(gòu))推出其CC2430開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí),推出的一款商業(yè)級(jí)協(xié)議棧軟件。在瑞典公司IAR開(kāi)發(fā)的IAR Embedded orkbench for MCS-51的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下,用戶可以通過(guò)這個(gè)協(xié)議棧軟件開(kāi)發(fā)出具體的應(yīng)用程序。在Z-Stack協(xié)議棧中提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序,這相當(dāng)于一個(gè)操作系統(tǒng),采用任務(wù)輪詢的方式處理事件。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是在Z-Stack的基礎(chǔ)上,在應(yīng)用層編寫傳感器數(shù)據(jù)采集程序,利用應(yīng)用層所給的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee節(jié)點(diǎn)所屬類別主要分協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種[11]。同一網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)16位地址分配(自動(dòng)分配)。ZigBee組網(wǎng)方式千變?nèi)f化,主要有星狀、網(wǎng)狀和樹(shù)狀；隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨之變化。ZigBee的通信方式主要有點(diǎn)播(一對(duì)一)、組播(分組后組內(nèi)通信)和廣播(面向所有節(jié)點(diǎn))3種。

本文設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)并不復(fù)雜,對(duì)硬件資源的消耗也不大,因此采用簡(jiǎn)單穩(wěn)定的星狀拓?fù)?采用組播的通信方式,協(xié)調(diào)器統(tǒng)籌全網(wǎng)工作并與系統(tǒng)MCU相連。所建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。MCU通過(guò)串口與GSM模塊相連,其角色相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān),GSM模塊相當(dāng)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸終端。這樣就形成了真正意義上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件電路分為處理器和執(zhí)行元件兩大部分。

4.1.1 處理器部分

為了從整體上降低功耗,并滿足系統(tǒng)的資源和I/O端口要求,經(jīng)綜合考慮,選用TI公司低功耗單片機(jī)MSP430系列中使用較為廣泛的MSP430F149[12]。它是一種16位超低功耗、采用“馮諾依曼”結(jié)構(gòu),具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器,擁有64K尋址空間[5]。含有片內(nèi)12位的AD/DA、定時(shí)器A/B、UART等資源,有5種低功耗模式,可以通過(guò)外部中斷進(jìn)行喚醒,符合本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的低功耗要求。片內(nèi)的硬件看門狗提高了控制系統(tǒng)程序運(yùn)行的穩(wěn)定性

4.1.2 執(zhí)行元件部分

1)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)方案采用HYQD40-H5742步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)選擇8擋細(xì)分控制(1,2,4,8,16,32,64,128),通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)選擇6擋電流控制(0.5,1,1.5,1.8,2.5,2.8 A),適合驅(qū)動(dòng)57、42型兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī),能達(dá)到低振動(dòng)、小噪聲、高速度的效果驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2)人機(jī)交互。

顯示選用LCD1602,語(yǔ)音提示選用華邦 ISD公司2007年新推出的單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路ISD1700語(yǔ)音芯片,可進(jìn)行分段錄音和放音。

GSM短信模塊采用西門子公司的TC35(一款雙頻900/1800 MHz高度集成的GSM模塊)作為GSM通信的硬件基礎(chǔ),利用單片機(jī)串口給TC35發(fā)送AT命令,傳輸波特率為9 600 bit/s,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)送短信到指定的手機(jī)。此外,GSM可以接收來(lái)自控制手機(jī)的短信命令,MCU通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù),從而促發(fā)與之相連的ZigBee協(xié)調(diào)器做出相應(yīng)動(dòng)作,短信模塊既是控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件,也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸終端。

4.1.3 軟件設(shè)計(jì)

控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要以430單片機(jī)為核心,程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制程序

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)整機(jī)組裝之后的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 樣機(jī)照片

本文設(shè)計(jì)的智能窗戶系統(tǒng),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)反應(yīng)靈敏,響應(yīng)速度很快,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,關(guān)窗平均用時(shí)0.5 s,開(kāi)窗平均用時(shí)0.6 s,GSM短信接受正常,但有一定的延時(shí)性,平均延時(shí)在14 s左右。