唐藝明

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建漳州 363005)

近年來，短距離無線傳輸技術(shù)應(yīng)用覆蓋面越來越大，從工業(yè)自動(dòng)化控制逐漸向家居方向發(fā)展[1]。相比于其他技術(shù)，ZigBee無線傳輸技術(shù)的成本及功耗偏低，并且支持多跳網(wǎng)絡(luò)控制，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為簡單，是開發(fā)智能家居控制系統(tǒng)的重要通信工具[2]。從理論層面來看，該通信工具適合開發(fā)個(gè)人無線區(qū)域網(wǎng)，用于家居組網(wǎng)控制。目前，關(guān)于ZigBee技術(shù)在無線家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究尚不成熟，仍然存在較大提升空間[3]。

1基于ZigBee的智能無線家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)由多個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器組成，以家庭為單位組建網(wǎng)絡(luò)體系[4]。為了實(shí)現(xiàn)家居智能控制，需要保證無線信號(hào)的發(fā)射與接收，所以各個(gè)子節(jié)點(diǎn)上需要添加一個(gè)信息接收/發(fā)送裝置，該系統(tǒng)選取ZigBee作為子節(jié)點(diǎn)連接工具，圖1所示為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1可見，利用協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收協(xié)調(diào)控制，借助路由器建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信連接，從而形成系統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過終端設(shè)備發(fā)送或者接收信號(hào)[5]。

1.2系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)選取S3C2440單片機(jī)作為中央控制器，同時(shí)控制ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、按鍵模塊、供電模塊、報(bào)警模塊等多個(gè)功能模塊，根據(jù)家居作業(yè)監(jiān)測(cè)信息，調(diào)節(jié)各個(gè)功能模塊作業(yè)狀態(tài)。當(dāng)家居系統(tǒng)作業(yè)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟報(bào)警功能模塊。另外，考慮到用戶查看家居信息的便利需求，該系統(tǒng)增加了短消息發(fā)送功能模塊，借助GPRS模塊將短信發(fā)送至用戶手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)雙通信渠道發(fā)送家居作業(yè)狀態(tài)信息，為用戶提供了便利條件，圖2所示為系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖2中，該系統(tǒng)主要由S3C2440單片機(jī)、用戶手機(jī)、GPRS模塊、按鍵與顯示模塊、報(bào)警模塊、無線傳輸模塊、監(jiān)測(cè)中心、以太網(wǎng)模塊、電源模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、小區(qū)服務(wù)模塊、安全防衛(wèi)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、家電聯(lián)網(wǎng)模塊組成。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器控制是系統(tǒng)的核心部分，其電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件核心電路圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊

該功能模塊屬于無線通信技術(shù)，支持短距離通信，可以將其理解為一種通信協(xié)議，即IEEE 802.15.4通信協(xié)議，完成低速率數(shù)據(jù)的發(fā)送[6]。家居系統(tǒng)控制設(shè)備不需要實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)信息，部分家居處于睡眠狀態(tài)，所以ZigBee模塊滿足家居系統(tǒng)開發(fā)要求，因其結(jié)構(gòu)較為簡單，所以成為了家居系統(tǒng)開發(fā)首選工具。該系統(tǒng)選取型號(hào)為CC2530設(shè)備作為系統(tǒng)ZigBee模塊，該型號(hào)設(shè)備借助SoC片上系統(tǒng)加以操控，大大提高了功能模塊性能，不僅收發(fā)器靈敏度較高，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，將8051內(nèi)核集中到一起，降低了電路復(fù)雜程度，為用戶開發(fā)系統(tǒng)提供了便利條件。當(dāng)裝置接收到信號(hào)以后，首先經(jīng)過低噪聲放大器處理，將去除噪聲后的信號(hào)采取變頻處理，采取濾波、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理，經(jīng)過解調(diào)和解擴(kuò)，過濾出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，以保證節(jié)點(diǎn)得以正常作業(yè)。

2.2系統(tǒng)供電模塊

供電功能模塊作為系統(tǒng)作業(yè)能源供應(yīng)渠道，決定了系統(tǒng)是否可以正常作業(yè)，在設(shè)計(jì)該功能模塊硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，除了考慮穩(wěn)定性以外，還需要簡化電路結(jié)構(gòu)，考慮不同設(shè)備作業(yè)供電電壓需求，采用電壓/電流轉(zhuǎn)換控制方式，從而為不同設(shè)備作業(yè)提供相應(yīng)供電需求。該研究對(duì)于供電功能模塊的設(shè)計(jì)，添加了穩(wěn)壓和濾波控制功能電路，在輸入端設(shè)計(jì)5V直流電壓。考慮到單片機(jī)外圍設(shè)備中部分器件作業(yè)額定電壓為3.3V，所以用DC-AC變換器，增加了3.3V供電電壓，以此滿足不同設(shè)備供電需求。

為了節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)智能化充放電控制，系統(tǒng)選取太陽能電池板、蓄電池作為電源模塊開發(fā)工具，將收集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到蓄電池中，根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)需求為其提供電能。這種供電模塊設(shè)計(jì)，降低了供電成本，操作更加便捷。

2.3以太網(wǎng)接口

為了實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)利用以太網(wǎng)接口建立用戶遠(yuǎn)程登錄、資源供電、信息管理操作窗口，實(shí)現(xiàn)了智能家居高效管理。由于S3C2440芯片自身不具有此類接口，所以系統(tǒng)采用接口轉(zhuǎn)換方法，建立系統(tǒng)以太網(wǎng)接口。通常情況下，在RJ45接頭進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可，為了提升信號(hào)強(qiáng)度、抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立作業(yè)，該研究在以太網(wǎng)芯片與RJ45接頭之間添加了H1102網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，各個(gè)器件之間設(shè)置雙向通信。其中，以太網(wǎng)芯片選取的型號(hào)為DM9000，將與另外一端與S3C2440單片機(jī)連接，形成以太網(wǎng)接口體系結(jié)構(gòu)。DM9000芯片是一種將多種功能集中到一起的綜合控制芯片，屬于MAC控制器，支持不同位數(shù)接口訪問，采用全雙工流量模式控制信息傳輸，降低了端口抑制程序開發(fā)難度。

2.4GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)模塊

為了實(shí)現(xiàn)短消息發(fā)送功能，即系統(tǒng)向用戶手機(jī)發(fā)送短消息，需要借助短消息發(fā)送功能模塊。目前，開發(fā)比較成熟的短消息發(fā)送功能模塊為GPRS模塊。該模塊信息發(fā)送實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，運(yùn)營費(fèi)用偏低，可以根據(jù)用戶開發(fā)需求，選擇多種通信模式，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)送，為用戶通信帶來便利。該研究選取型號(hào)為MC35i的雙頻GPRS作為短消息發(fā)送工具，配備SIM卡，通過下發(fā)AT指令，編輯不同文本形式的短消息發(fā)送至用戶手機(jī)。其中，GPRS模塊與單片機(jī)之間采用RS232串口加以連接。為了提高短消息發(fā)送準(zhǔn)確性，可以通過觀察芯片內(nèi)寄存器作業(yè)狀態(tài)加以判斷，如果寄存器作業(yè)狀態(tài)無異常，則認(rèn)為當(dāng)前發(fā)送消息準(zhǔn)確，反之，認(rèn)為當(dāng)前消息定位錯(cuò)誤，摻雜錯(cuò)誤信息，必須立即維修。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件流程

該系統(tǒng)主要用于家電聯(lián)網(wǎng)控制、家居環(huán)境檢測(cè)、家居安全檢測(cè)，在系統(tǒng)正常作業(yè)情況下，根據(jù)家居控制需求，選擇相應(yīng)服務(wù)功能，分別開啟各項(xiàng)服務(wù)功能。如果系統(tǒng)當(dāng)前處于異常狀態(tài)，則采取雙通道信息傳輸方式告知用戶。其中一條通信渠道為裝置自動(dòng)報(bào)警，另外一條通信渠道為借助GPRS發(fā)送短消息。圖3所示為系統(tǒng)控制軟件程序流程。

圖4 系統(tǒng)控制軟件程序流程

該程序流程主要由三部分組成，分別為家電聯(lián)網(wǎng)控制、家居環(huán)境檢測(cè)和家居安全檢測(cè)軟件程序。

(1)家電聯(lián)網(wǎng)控制軟件程序。該程序主要用于控制家電設(shè)備的作業(yè)模式，根據(jù)用戶需求，選擇相應(yīng)功能的電器設(shè)備，開啟其作業(yè)狀態(tài)/關(guān)閉設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的操控。該系統(tǒng)對(duì)于各個(gè)設(shè)備的操控，采用獨(dú)立子程序開發(fā)方法，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的作業(yè)控制方法，分別設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，使其可以按照用戶選擇的功能按鍵給予相應(yīng)服務(wù)。目前，系統(tǒng)支持家電聯(lián)網(wǎng)、微波爐控制、空調(diào)控制、電視控制、燈光控制及其他設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)控制。

(2)家居環(huán)境檢測(cè)軟件程序。該程序主要由于檢測(cè)家居環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)是否在正常范圍內(nèi)，如果超出了正常范圍，則顯示“家居環(huán)境不佳”，同時(shí)開啟報(bào)警模式，并通過GPRS模塊向用戶發(fā)送短消息。反之，如果各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，則顯示“家居環(huán)境良好”。目前，系統(tǒng)開發(fā)了煙霧、煤氣、溫度、濕度4項(xiàng)子程序。

(3)家居安全檢測(cè)軟件程序。該項(xiàng)程序用于家居的安全管理，檢測(cè)指標(biāo)包括各種家電作業(yè)狀態(tài)和安防情況。這些檢測(cè)結(jié)果將發(fā)送回監(jiān)控中心，在計(jì)算機(jī)操作界面上顯示具體故障設(shè)備。如果家中有任意一臺(tái)設(shè)備發(fā)生異常，其他控制子程序運(yùn)行正常，不會(huì)帶來較大影響。假如安防系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，則證明家居環(huán)境危險(xiǎn)系數(shù)較高，需要用戶立即處理，此時(shí)其他子程序控制命令均默認(rèn)“關(guān)閉”。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器控制

系統(tǒng)中，ZigBee在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間起到信息傳遞作用，相當(dāng)于系統(tǒng)作業(yè)命令傳輸?shù)拿浇?，關(guān)乎著各個(gè)命令發(fā)送與接收的矛盾控制是否成功。所以，ZigBee在系統(tǒng)中發(fā)揮的協(xié)調(diào)作用不可以忽略，需要利用該裝置采取命令解析，調(diào)用request_irq函數(shù)申請(qǐng)中斷，完成協(xié)調(diào)器的讀寫操作。具體控制流程如下：

第一步：調(diào)用init_module()函數(shù)，完成變量初始化處理；

第二步：將協(xié)調(diào)器的信息注冊(cè)到系統(tǒng)內(nèi)核中，開啟文件系統(tǒng)；

第三步：調(diào)用request_irq函數(shù)申請(qǐng)中斷，清除未開啟作業(yè)模式的子程序命令；

第四步：關(guān)閉ZigBee；

第五步：對(duì)ZigBee控制命令進(jìn)行讀寫；

第六步：開啟ZigBee。

4系統(tǒng)測(cè)試分析

按照系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)連接各個(gè)裝置線路，開啟系統(tǒng)作業(yè)模式，分別對(duì)各項(xiàng)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。文章以報(bào)警與雙通信功能、家居設(shè)備控制功能為例，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 報(bào)警與雙通信功能測(cè)試結(jié)果

表1中測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果正確控制報(bào)警功能和短消息發(fā)送功能，符合系統(tǒng)開發(fā)功能需求。

表2 家居設(shè)備控制功能測(cè)試結(jié)果

表2中測(cè)試結(jié)果顯示，下發(fā)控制命令與家居實(shí)際作業(yè)狀態(tài)相符。因此，該系統(tǒng)可以滿足智能化家居設(shè)備狀態(tài)控制需求。

5結(jié)語

文章圍繞智能無線家居系統(tǒng)開發(fā)展開研究，選取ZigBee作為短距離信息傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開發(fā)工具，構(gòu)建系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)。選取S3C2440單片機(jī)作為系統(tǒng)中央控制器，在ZigBee協(xié)調(diào)器作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備作業(yè)狀態(tài)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防衛(wèi)等多項(xiàng)功能。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果正確控制報(bào)警功能和短消息發(fā)送功能，下發(fā)控制命令與家居實(shí)際作業(yè)狀態(tài)相符。