李慶 黃傳翔

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，家用電器基于智能控制系統(tǒng)，通過微處理器、傳感器、網(wǎng)絡通信等技術，可以在手機上實現(xiàn)遠程控制。文章將ZigBee技術、通信技術和嵌入式開發(fā)技術相結合，設計出一款實時精準監(jiān)測環(huán)境信息的智能化系統(tǒng)，用戶通過Intemet可以執(zhí)行家庭住宅內(nèi)部環(huán)境信息的查詢和家電設備的遠程控制。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機為硬件控制平臺，可以實現(xiàn)電動窗簾、照明系統(tǒng)等的智能控制．

關鍵詞：智能家居：ZigBee；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TN02 文獻標志碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能是智能家居領域的三大關鍵技術，借助5G、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術，大批智能產(chǎn)品進入尋常百姓家。商務部發(fā)布的網(wǎng)絡零售市場數(shù)據(jù)顯示．2021年，家居智能設備銷售額同比增長90. 5%，可見人們對智能家居的需求不斷提升。如今，很多家居產(chǎn)品都主打智能化，加上人們生活理念的改變，溫馨、舒適、安全的智能家居系統(tǒng)應運而生。

1 智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)技術

本研究設計了一款基礎的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控，實時為用戶提供穩(wěn)定可靠的家庭信息。通過該系統(tǒng)，人們可以準確地獲得家庭環(huán)境的信息，為人們的居家生活增添了便利和樂趣。家庭環(huán)境參數(shù)的改變可以促使其他智能設備做出決策，從而實現(xiàn)家庭環(huán)境的智能調(diào)整。智能家居系統(tǒng)常用組網(wǎng)方式如下。

1.1 集中布線技術

集中布線技術的優(yōu)點是使用專業(yè)的信號線，組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，適合范圍較廣的智能控制環(huán)境，缺點是布線成本高、系統(tǒng)升級難度大、施工時間長。

1.2 電力載波技術

電力載波技術直接采用電力線作為傳輸介質(zhì)，施工安裝方便。其缺點是信號不穩(wěn)定、抗干擾性差，而我國的電力信號中相對諧波較多，這對控制信號的影響更大。因此，電力載波技術不合適智能家居系統(tǒng)。

1.3 無線射頻技術

無線射頻技術不需要煩瑣的布線，易于安裝，智能家電的控制是通過點對點或點對多點來實現(xiàn)的，該技術屬于無線通信。其主要問題是控制的方式單一，不可能進行大面積的統(tǒng)一控制，容易受到家庭環(huán)境中無線設備的干擾，因此也不符合現(xiàn)代人們對智能家居的需求。

1.4 ZigBee無線組網(wǎng)技術

ZigBee無線組網(wǎng)技術具有總體價格低、能耗低、安裝布線簡單、非常容易擴展的優(yōu)點，非常適合應用于當代的智能家居控制系統(tǒng)。

2 ZigBee組網(wǎng)技術

2.1 ZigBee組網(wǎng)技術特點

ZigBee是一種無線網(wǎng)絡技術，該技術的特點是復雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、成本低和距離短[1]。目前，ZigBee的目標市場主要是傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、家庭樓宇自動化、醫(yī)療應用、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等領域。短距離無線通信技術的對比如表1所示。

2.2 ZigBee組網(wǎng)過程

任何一個ZigBee模塊要想加入某個網(wǎng)絡，一定要一個處于該網(wǎng)絡里的節(jié)點作為媒介，并且這個媒介不能是終端節(jié)點[2]。在加入網(wǎng)絡之后，媒介節(jié)點和被介紹加入的節(jié)點是父子關系，媒介節(jié)點是父節(jié)點，加入的節(jié)點是子節(jié)點。當加入節(jié)點有多個媒介可以選擇時，其根據(jù)信號強度對比，選擇最佳的媒介節(jié)點加入網(wǎng)絡。在ZigBee網(wǎng)絡里，每個模塊在網(wǎng)絡中都有一個唯一的2字節(jié)地址，PANID是一個2字節(jié)的編碼，用于區(qū)分不同的ZigBee無線網(wǎng)，即個域網(wǎng)ID。ZigBee網(wǎng)絡的工作流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)整體方案

本文設計出一款環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，打造舒適豐富的生活環(huán)境。該系統(tǒng)由移動終端、WiFi模塊、主控制器和ZigBee模塊4個部分組成，建立有效的防御系統(tǒng)，對家庭環(huán)境進行數(shù)據(jù)的采集、處理和監(jiān)測。倡導方便靈活的生活方式，移動終端是用戶手機或電腦．WiFi模塊實現(xiàn)室內(nèi)網(wǎng)關和外界的通信。主控制器是核心，營造高效可靠的工作模式，ZigBee模塊主要是收集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其打包以傳輸?shù)街骺刂破?。系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

4 智能家居環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件設計

4.1 主控制器及主要外圍電路設計

STM32控制器主要負責對用戶手機發(fā)出的控制命令做出準確的判斷，然后發(fā)送相應指令給ZigBee終端節(jié)點，同時還要將終端節(jié)點采集的信息發(fā)到用戶智能手機上。本文選用的STM32F103RCT6是一種嵌入式微控制器的集成電路。

4.1.1 USB轉(zhuǎn)串口電路

目前常用的USB轉(zhuǎn)串口的芯片有FT232，CP2102．CH340和PL2303等，從芯片的穩(wěn)定性和價格綜合比較，CH340最符合本系統(tǒng)的開發(fā)需要[3]。本文的USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340 G芯片。具體電路設計如圖3所示。

4.1.2

JTAC/SWD模式調(diào)試接口電路

JTAC是國際標準的一種測試協(xié)議，四線的JTAG接口是測試芯片內(nèi)部的標準。JTAC采用排線的方式連接，為了提高抗干擾性，在每條信號線之間加上地線，就是20針的接口。

4.2

ZigBee硬件選型及傳感器模塊

本系統(tǒng)選擇的是TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片的總材料成本很低且可以建立豐富的網(wǎng)絡節(jié)點[4]。傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、燃氣傳感器和人體紅外感應模塊。本文選用具有溫度和濕度的數(shù)字復合傳感器DHT11；溫度傳感器使用DS18820，煙霧傳感器使用氣敏式MQ-2。本文使用的MQ-7傳感器對一氧化碳非常敏感，通常專門用來檢測家庭中煤氣或燃氣泄露。本文采用的是HC-SR501人體感應模塊，實際應用時，必須使用菲涅爾透鏡聚集紅外線，形成交替變化的紅外輻射盲區(qū)和高靈敏區(qū)，以提高靈敏度，擴大檢測范圍。

4.3 家電控制模塊

照明系統(tǒng)是日常家居生活的必備產(chǎn)品，本系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程控制照明系統(tǒng)的開關?，F(xiàn)選用CC2530模塊中LED燈模擬家庭客廳、臥室和廚房的燈泡，使用電機的正反轉(zhuǎn)來代替窗簾打開和關閉狀態(tài)，采用SGS公司的L298 N芯片，能驅(qū)動直流電機和步進電機，電路中的續(xù)流二極管可以保護芯片，防止燒壞。電路如圖4所示。

4.4繼電器控制模塊

智能插座、智能窗簾、加濕器、空調(diào)等設備的繼電器模塊是用來實現(xiàn)通斷操作的。繼電器實際上相當于一個開關，在實際電路設計中，需要三極管進行驅(qū)動。繼電器吸合接通控制電路，繼電器關斷則切斷控制電路。該電路采用NPN型晶體管，主要是起到放大作用。電路中二極管可以及時斷開繼電器，保護晶體管，防止發(fā)生擊穿現(xiàn)象。LED的作用是指示繼電器是否處于工作狀態(tài)。

5 系統(tǒng)軟件設計

傳感器模塊在硬件設計已完成的基礎上，需要進行相應的軟件設計。傳感器節(jié)點負責數(shù)據(jù)信息的采集和發(fā)送，當它啟動后，需要進行網(wǎng)絡初始化，用戶可以通過函數(shù)Sample App_Process Evenc（）定義功能，并設置定時器處理事件，如果有事件發(fā)生，各傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)并判斷是否啟動模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器[5]。本文中傳感器節(jié)點主要采集溫濕度、一氧化碳、光照和煙霧濃度等環(huán)境信息。

系統(tǒng)采用光敏電阻和普通電阻設計光照采集電路，隨著光照強度的變化，阻值也發(fā)生變化，從而使得系統(tǒng)測定的模擬電壓也在變化，通過A/D轉(zhuǎn)換可以把光線強度轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號，而電壓信號再轉(zhuǎn)化成光照值進行輸出。根據(jù)輸出值，系統(tǒng)主控制器通過控制窗簾的狀態(tài)來改善家庭環(huán)境。采用溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2綜合監(jiān)測火災的發(fā)生，終端節(jié)點將采集到的數(shù)值以打包的方式發(fā)給協(xié)調(diào)器。溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2采集并發(fā)送數(shù)據(jù)包的程序與溫濕度傳感器類似。溫濕度傳感器流程如圖5所示。

當溫濕度傳感器檢測到的溫度或濕度超出預設的正常范圍時，則會通過主控制器控制繼電器電路操作空調(diào)，家庭中的空調(diào)控制節(jié)點工作流程如圖6所示。

6 系統(tǒng)性能測試

本文的網(wǎng)絡設備包括協(xié)調(diào)器、路由器和對應的傳感器終端節(jié)點。本系統(tǒng)主要測試的是ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)和各傳感器模塊性能的測試。

6.1 溫度傳感器準確性實驗

在傳感器終端下方25 cm左右處燃燒明火，使探測器周圍的溫度超過40℃．1 min內(nèi)報警界面顯示并發(fā)出報警信息。

6.2燃氣傳感器準確性實驗

采用丁烷氣體模擬煤氣泄露，測試M0-2傳感器的響應速率，同時觀察報警系統(tǒng)的響應，經(jīng)過30次的實驗，燃氣傳感器響應迅速。

6.3 報警模塊功能測試

家居環(huán)境中數(shù)據(jù)信息一旦出現(xiàn)危險時，報警功能模塊會發(fā)出聲光報警，并通過短信模塊發(fā)送報警信息給用戶。

6.4 窗簾電機驅(qū)動電路測試

測試的重點是觀察電機的運轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，窗簾停止時，限位開關動作到位。通過串口助手進行調(diào)試電機在規(guī)定時間內(nèi)進行開啟和關閉觸發(fā)的準確性，同時測試指令發(fā)送正常。

7 結語

本文對ZigBee組網(wǎng)進行分析，研究并設計控制電路原理圖，在CC2530模塊上開發(fā)相應的程序，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，對系統(tǒng)的通信延遲、通信距離以及各傳感器模塊的響應精度進行實驗測試。本系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的效果，組網(wǎng)能力強，傳感器模塊響應及時準確，能夠?qū)崿F(xiàn)預定的遠程控制。隨著AI技術、5G技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，人們對智能家居控制系統(tǒng)的關注點也發(fā)生了變化，例如．5G帶寬高時低延，使得人與設備、設備與設備之間的交互更加快速便捷，在此技術下，可以將不同的家居設備傳感器和算法軟件整合，形成智能的互聯(lián)互通。但是信息安全風險控制就成了智能家居系統(tǒng)的關鍵點。相信，這些新技術的發(fā)展，必然會助力防范安全風險，加速智能技術落地。

參考文獻

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（編輯王雪芬）