李洪璠 劉柏峰 薛志興

摘? 要：利用短距離無(wú)線通信技術(shù)ZigBee，以S3C2410微處理器作為核心主控制器搭建一個(gè)智能家居系統(tǒng)。主控制器在智能家居系統(tǒng)中充當(dāng)著一個(gè)強(qiáng)大功能的家庭網(wǎng)管的角色，以CC2430芯片作為無(wú)線收發(fā)模塊，通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)接入Internet，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度，光線亮度及空氣清潔度等控制。智能家居系統(tǒng)移動(dòng)性好，省去大量的電纜連線，擴(kuò)容便捷，提高了室內(nèi)環(huán)境舒適度。

關(guān)鍵詞：智能家居;環(huán)境舒適度;ZigBee

中圖分類號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）05-0033-02

1 概述

在信息時(shí)代下，生活方式的不斷變革，安全而又舒適的家居環(huán)境越來(lái)越受到人們的關(guān)注，信息與家居的結(jié)合正是智能家居，智能家居的出現(xiàn)，使人們對(duì)家居環(huán)境舒適度的要求越來(lái)越高。本文設(shè)計(jì)的智能家居目的在于提供一個(gè)舒適的智能家居環(huán)境，利用智能家居網(wǎng)絡(luò)控制室內(nèi)溫濕度、光照度及空氣的清潔度。即對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行精密的智能監(jiān)測(cè)與控制，使人們的家居環(huán)境變得更加信息化和智能化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)由主機(jī)（主控制器）和單機(jī)（終端節(jié)點(diǎn)）兩部分構(gòu)成，兩者分工明確，主機(jī)主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和給出邏輯命令[1];單機(jī)主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸以及邏輯命令的執(zhí)行。

2.1 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心，它通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊CC2430ZigBee與智能家居中的溫濕度終端節(jié)點(diǎn)、光照終端節(jié)點(diǎn)、空氣清潔度終端節(jié)點(diǎn)共同組網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集，通過(guò)接入 Internet 建立外部通信，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)化的功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。主控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

結(jié)構(gòu)框圖中對(duì)自身沒(méi)有以太網(wǎng)接口的S3C2410微處理器，需要在以太網(wǎng)芯片CS8900 連接到處理器的總線的情況下才能完成。要完成對(duì)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備的操作就要在智能家居主控制器上架設(shè)Web服務(wù)器，利用CGI接口調(diào)用后臺(tái)CGI程序，連接Web服務(wù)器與具體的控制程序[2]。把主控制器接入外網(wǎng)，通過(guò)一臺(tái)接有Internet的PC機(jī)，輸入主控制器的網(wǎng)址，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)各個(gè)終端設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要分溫濕度控制節(jié)點(diǎn)、光線控制節(jié)點(diǎn)、光線控制節(jié)點(diǎn)三部分，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度、光線和空氣清潔度等環(huán)境舒適度控制。下圖2所示ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)是由無(wú)線通信模塊、處理器模塊、電源模塊、傳感器等幾個(gè)部分構(gòu)成。電源控制模塊是ZigBee終端模塊運(yùn)行必不可少的，為系統(tǒng)提供合適的能量。室內(nèi)安裝的光照傳感器、溫濕度傳感器和氣體傳感器采集的光線、溫濕度、空氣質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)CC2430中無(wú)線通信模塊終端節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送給主控制器，同時(shí)接收主控制器發(fā)出的控制命令，對(duì)受控設(shè)備空調(diào)（風(fēng)扇）、窗簾、換氣設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度硬件電路設(shè)計(jì)

溫度和濕度是居室生活舒適度最基本要求，溫濕度硬件電路主要由無(wú)線收發(fā)模塊CC2430，溫濕度傳感器，紅外發(fā)射模塊，電源模塊和調(diào)試接口五大部分構(gòu)成。溫濕度控制過(guò)程即通過(guò)溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫度、濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，主控制器把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，用分析和比較的結(jié)果去控制傳輸量，對(duì)溫度和濕度的控制節(jié)點(diǎn)加以控制，通過(guò)紅外發(fā)射模塊控制節(jié)點(diǎn)的空調(diào)設(shè)備的控制命令來(lái)設(shè)定溫度，加熱，加濕，除濕等功能，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行有效地控制。

3.2 光線控制硬件電路設(shè)計(jì)

室內(nèi)的光線主要來(lái)自自然光與燈光。智能家居燈光控制自然光的合理利用十分重要，通過(guò)在自然光線的采集方法打開(kāi)窗簾的情況下達(dá)到室內(nèi)照明的要求，啟動(dòng)燈光控制。

燈光控制系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中是在自動(dòng)模式下工作，根據(jù)設(shè)定的各種普通場(chǎng)景的時(shí)間發(fā)送給主控制器，根據(jù)一天內(nèi)不同時(shí)間段光線強(qiáng)度不同，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到現(xiàn)場(chǎng)，控制相應(yīng)的場(chǎng)景。利用室內(nèi)移動(dòng)探測(cè)器，以檢測(cè)室內(nèi)照明光傳感器是否收集數(shù)據(jù)，光照明控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居的主控制器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)窗簾緊閉程度和室內(nèi)光線對(duì)應(yīng)的光發(fā)送命令的主要控制，提出了一種柔軟，舒適的照明場(chǎng)景，使用戶可以很好的放松和休息。在晚上，窗簾自動(dòng)關(guān)閉命令控制發(fā)送數(shù)據(jù)，照明和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，智能家居系統(tǒng)反饋給主控制器，通過(guò)移動(dòng)探頭數(shù)據(jù)來(lái)確定是否是室內(nèi)的主控制器，然后發(fā)送一個(gè)調(diào)光命令的節(jié)點(diǎn)，它可以自動(dòng)提供室內(nèi)光線充足，無(wú)人值守?zé)糇詣?dòng)關(guān)閉。每一個(gè)不同的場(chǎng)景默認(rèn)燈光設(shè)置，用戶還能夠利用改變自己的設(shè)置手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶可能想要照亮的場(chǎng)景。

整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)客戶的需要進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)，還能夠根據(jù)喜好進(jìn)行調(diào)整。自動(dòng)關(guān)燈的無(wú)人區(qū)通過(guò)自然光的合理使用，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的作用。

3.3 空氣清潔度控制硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的空氣清潔度控制系統(tǒng)，是把室內(nèi)的空氣清潔度作為一個(gè)整體。在室內(nèi)安裝的氣體傳感器，把采集室內(nèi)的氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送給CC2430，進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)把空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)送到主控制器。主控制器對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和合格的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析后，建立了接收數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令，控制節(jié)點(diǎn)的空氣清新度，節(jié)點(diǎn)通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，調(diào)整室內(nèi)空氣清新度。不會(huì)對(duì)用戶的生活環(huán)境中自動(dòng)通風(fēng)產(chǎn)生不利的影響，充分清潔室內(nèi)的空氣，在任何時(shí)間，客戶的室內(nèi)空氣是衛(wèi)生的，新鮮的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)主控制器和以太網(wǎng)通信、ZigBee協(xié)調(diào)器和各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通信、節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備三大功能。下面僅給出主控制器和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。

4.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)主控制器的軟件是在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的， ZigBee協(xié)議棧，Web服務(wù)器，應(yīng)用程序都應(yīng)該是包含在內(nèi)的。在還沒(méi)有開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Linux操作系統(tǒng)的時(shí)候，最先要負(fù)責(zé)引導(dǎo)程序Bootloader。Bootloader是在操作程序執(zhí)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核的一小部分，選擇VIVI Bootloader，VIVI源代碼經(jīng)過(guò)編譯環(huán)境生成的二進(jìn)制圖像文件，刻錄到Flash開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)JTAG。Linux操作系統(tǒng)，包括Linux內(nèi)核的移植和文件系統(tǒng)的移植，Linux內(nèi)核的移植來(lái)自維持。該應(yīng)用程序是基于CGI技術(shù)，Web服務(wù)器可執(zhí)行程序。主制器的應(yīng)用程序（CGI程序）可以通過(guò)系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)訪問(wèn)[2]。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。各功能節(jié)點(diǎn)之間是相互獨(dú)立的，互不干擾，同時(shí)，溫濕度節(jié)點(diǎn)、光照節(jié)點(diǎn)、空氣清新度節(jié)點(diǎn)都由主控制器控制，且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，要是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器，對(duì)彼此的主機(jī)控制器轉(zhuǎn)發(fā)。各功能節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)的過(guò)程是，通過(guò)PC機(jī)編寫程序，修改源代碼，借助IAR軟件協(xié)議棧，編譯和鏈接，生成二進(jìn)制文件，利用燒寫工具把程序?qū)懙侥繕?biāo)板的二進(jìn)制文件，編寫相應(yīng)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)[2]。每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)之后，再通過(guò)主控制器的控制，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制相應(yīng)的功能就實(shí)現(xiàn)了。

5 結(jié)束語(yǔ)

由主控制器和終端節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)境舒適度控制系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線通信模塊對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過(guò)智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與主控制器模塊進(jìn)行無(wú)線通信[3]，把數(shù)據(jù)傳送給主控制器，并接收主控制器的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)光照度、溫濕度、空氣清潔度的控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好、能有效改善家居環(huán)境的舒適性。

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