| 标题 | 基于ZigBee的智能家居控制系统设计 |
| 范文 | 陶在红+杨宇+常建华 摘? 要： 设计了一个新颖的智能家居控制系统，该系统以CC2530无线单片机为主控，采用ZigBee无线传输技术实现上下位机的通信。下位机通过各类传感器获得家中的温度、湿度及电器工作状态信息等参数，并传送给上位机；上位机接收到信息并进行分析，把控制信号下达给继电器控制模块控制电器通断。同时，上位机还能将接收到的数据通过串口传输到PC进行显示和保存。经实际测试，该系统可以快速、准确地实现温湿度测量和家用电器的监视和控制，具有低成本、高实用性的特点。 关键词： ZigBee； CC2530； 智能家居； 无线通信 中图分类号： TN911?34； TH811.2??????????? 文献标识码： A????????????????????? 文章编号： 1004?373X（2014）23?0009?04 Abstract： A new smart home control system is designed in this paper. In this system， CC2530 is used as the master control chip， and the communication between a master machine and a slave machine is realized through ZigBee wireless technology. The slave machine gathers indoor parameters on temperature， humidity and work condition of household appliances by various kinds of sensors， and sends them to the master machine. The master machine analyzes the data from slave machine and turns electrical appliances on or off by issuing a control signal to the relay control module. Furthermore， the data from slave machine can be transmitted through a serial port to PC for storage and display. The practical test indicates that the system can realize fast detection of temperature and humidity， as well as monitoring and control of household appliances. This system with low?cost and high?practicality has good promotional value. Keywords： ZigBee； CC2530； smart home； wireless communication 0? 引? 言 智能家居控制系统就是在住宅中融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的网络化智能化的家居控制系统，能为用户提供一个更简单更便捷的接口来操控家庭电器。比如，通过PC、手机甚至是语音控制家中的电器设备，而且可以设置一些场景规则，使多个设备基于同一场景模式进行协同工作[1?2]。另一方面，智能家居系统中的各种设备都是联网的，可以相互通信，利用多个设备协同工作，形成一个闭环的自动控制系统。用户只需要对其简单设置将其初始化，便可以自动运行，这给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全[3?4]。 基于智能家居具有非常强的实用价值，本文设计了一套基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统。该系统能收集家中温度、湿度以及家用电器的工作状态等参数，从而实现对家用电器的智能控制。系统用两个CC2530无线单片机模块组成上下位机。下位机连接各种传感器，负责收集温度、湿度和电器工作状态等参数并发送给上位机；作为系统的控制中枢，上位机连接继电器控制模块，负责接收和处理下位机传过来的数据，并把控制信号下达给继电器控制模块来控制电器通断。另外，上位机还能将接收的数据通过串口传输到PC进行显示和保存。 1? 系统设计和工作原理 本系统使用ZigBee无线传输技术，系统设计框图如图1所示，可分为传感器信号发射端（即下位机）和信号处理端（即上位机）。下位机由传感器和一个ZigBee无线单片机模块组成，读取传感器的数据，然后将数据通过无线传输给上位机；上位机由一个ZigBee无线单片机模块和继电器控制模块组成，处理和分析下位机发送来的数据，从而判断打开或关闭自己所控制的工作电路，并且通过串口与PC进行通信。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t1.tif>； 图1 系统组成框图 2? 硬件设计 2.1? ZigBee无线单片机模块 CC2530是一款真正意义上的针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的片上系统解决方案，提供了一种可靠而又价格低廉的网络节点构建方式。它集成了一种高性能的主流RF发射器、一款基于工业级的8051核心的微控制器、内置可编程闪存、8 KB RAM、不低于32 KB的ROM和许多其他强大的功能。CC2530有多种操作模式，以使系统更好地降低功耗，更好地满足实际应用。操作模式间很短的切换时间也保证了非常低的能量消耗[5?6]。 2.2? 温度测量模块 目前常用的温度传感器主要有模拟式和数字式两种。模拟式的温度传感器主要有PT100，它精度高，性能稳定[7]，工作温度在-200～650 ℃之间。但是由PT100构成的温度测量电路十分复杂，功耗和成本较大，而且普通测量对于温度测量的精度要求并不是十分高，所以本设计选用电路较为简单的数字式温度传感器DS18B20。该芯片是由美国Dallas半导体公司设计生产的一款数字式温度传感器[8]。温度测量电路如图2所示，采用DS18B20外部电源供电的方式，在DS18B20的数据总线上添加了一个4.7 kΩ的上拉电阻，这样在这条数据线上接多个DS18B20时，也有足够的电流驱动它们；而且其中一个DS18B20数据线短路时，该电阻也起到了限流保护电路的作用。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t2.tif>； 图2 温度测量电路 2.3? 湿度测量模块 湿度测量模块感应部分为HS1101湿度传感器。HS1101是一种基于独特工艺的电容元件，湿度变化引起电容两极板间介电常数发生变化，从而引起HS1101电容值的变化。湿度测量电路如图3所示。555定时器构成的多谐振荡器输出信号的频率，随2端口与地之间的电容变化而变化。将HS1101接入555定时器的2端口与地之间，就将电容值转换成了输出信号的频率值。利用单片机可以测出555多谐振荡器输出信号的频率，根据频率值，就可以反算出电容值以及相对湿度值。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t3.tif>； 图3 湿度测量电路 2.4? 电器工作状态感应模块 电压感应器需要与家用电器串联在220 V交流工作电路中，而家用电器的工作电流少则几百毫安，大则几安培，所以要先利用电流互感器将220 V家用电器电路的电流感应转换为小电流。经过如图4所示电路，输入电流转换为一个单片机可以测量的小电压。设电流互感器比例系数为[m][∶][n，]二极管正向导通时两端的压降为[UD，]那么对于[R9]两端电压[U9]有以下关系： [U9=Iin?mn?R7-2UD?R9R8+R9] 电路使用全桥整流将50 Hz交流电路转化为直流电路，根据不同家用电器的工作电流，来调节电位器[R7]和[R9，]使得稳压管D2处于击穿状态，从而获得一个稳定的电压[U9。]输出端的电解电容进行了简单的滤波，使输出电压更平稳。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t4.tif>； 图4 电器工作状态感应模块 2.5? 继电器控制模块 继电器控制模块电路设计如图5所示。因为CC2530输出电流很小，无法直接驱动电磁继电器，因此在输出端接了一个三极管，利用共射放大电路将电流放大后送给电磁继电器。电磁继电器后端做了一个简易的工作电路，工作电路工作则LED亮起。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t5.tif>； 图5 继电器控制模块电路 2.6? 串口通信电路 串口通信模块的电路图如图6所示。MAX232芯片的11脚和12脚分别接CC2530芯片的P0_3和P0_2端口，这两个端口除了作为普通I/O端口，还是CC2530的USART0串口通信接口[9]。通过设置CC2530的USART0相关寄存器，即可与电脑进行通信。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t6.tif>； 图6 串口通信模块电路 3? 软件设计 本系统软件也分上位机软件和下位机软件两部分。 下位机主程序流程图如图7所示。与AT89S52单片机相比，CC2530 有多个晶振，启动之初在CPU初始化中选择适当的晶振，然后初始化射频功能。CC2530可以在系统时钟之外设置定时器时钟，使之等于或小于系统时钟，默认状态为等于系统时钟。由于湿度测量时要精确定时到1 s，必须通过很多次系统中断来完成这个定时。如果减小定时器时钟，减少1 s内所需中断次数，能大大提高定时精度。 上位机初始化和下位机基本一致，只是多了一个串口初始化。上位机程序读取继电器控制的电器工作状态，结合从下位机处收集的温湿度数据对继电器进行控制，比如温度高时打开空调，湿度低时打开加湿器等，而后将控制动作发生前的所有数据以及采取的动作通过串口传输至PC显示出来。如果在PC端编写相应软件则可通过PC做更加有效的报警。上位机流程图如图8所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t7.tif>； 图7 下位机主程序流程图 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t8.tif>； 图8 上位机程序流程图 4? 实验结果 经过软、硬件调试，系统成功地实现了温湿度的测量和家用电器的监视和控制。 用手按住DS18B20，PC端超级终端的温度显示情况如图9所示，显示的温度值增加。由于DS18B20是数字式芯片且可靠性非常好，工作电压为3～5.5 V，所以在正确驱动DS18B20之后，读取温度值一般即为比较准确的温度值。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t9.tif>； 图9 PC端超级终端温度显示 将湿度传感器接入电路，朝湿度传感器哈一口气改变环境湿度值，PC超级终端接收到的湿度值变化情况如图10所示，哈气之后湿度值变高。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t10.tif>； 图10 PC端超级终端湿度显示 将图4中[R7]设定为1 kΩ，[R9]设定为50 kΩ在Multisim软件中进行仿真，仿真结果如图11所示。正弦波为[R7]两端电压波形，另一个波形为[R9]两端电压也就是最终输出CC2530的电压，从仿真结果可以看出，电路输入0.5 s后输出端电压稳定于3 V左右，可以被CC2530读取。虽然输出电压0.5 s的上升时间有点长，但普通家用电器不需在短时间内反复开关，所以本电路基本能达到智能家居控制系统的要求。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t11.tif>； 图11 仿真结果 5? 结? 语 为了实现家居的智能管理，本文设计了一种监控家庭温度、湿度以及家用电器工作情况等参数的系统。实验证明，该系统能够准确及时获得温度、湿度以及电器工作状态各项参数，并且通过处理这些参数实现对部分家用电器的自动化控制。本系统基本完成了智能家居控制系统的设计要求，其他参数的传感测量、控制和本系统中的温度、湿度等有很大的相似之处，附加相应的传感器即可。随着物联网技术的进一步发展，无线传感芯片性价比进一步提高，智能家居必会带动家用电器领域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。 参考文献 [1] 陈殿生，刘静华，殷兰兰，等.服务机器人辅助老年人生活的新模式与必要性[J].机器人技术与应用，2010（2）：1?4. [2] 陈思国.嵌入式系统在智能家居中的应用[D].杭州：浙江大学，2005. [3] 徐卓农.智能家居系统的现状与发展综述[J].电气自动化，2004，26（3）：3?8. [4] 金家红.家庭物联网技术在智能家居系统的应用[J].现代电子技术，2013，36（10）：56?58. [5] 顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报，2011，20（3）：160?167. [6] XIA Fei. Research of wireless sensor network node based on Z?Stack protocol [J]. Electronic Component &； Device Application [J]. 2009，11（12）： 74?76. [7] 马毅，张宏宇.多路铂电阻测温系统设计[J].电子测量技术，2012，35（5）：87?89. [8] 韩小斌，朱永文.数字式温度传感器DS18B20及其应用[J].电子技术，2002，29（5）：43?45. [9] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：70?71. <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t10.tif>； 图10 PC端超级终端湿度显示 将图4中[R7]设定为1 kΩ，[R9]设定为50 kΩ在Multisim软件中进行仿真，仿真结果如图11所示。正弦波为[R7]两端电压波形，另一个波形为[R9]两端电压也就是最终输出CC2530的电压，从仿真结果可以看出，电路输入0.5 s后输出端电压稳定于3 V左右，可以被CC2530读取。虽然输出电压0.5 s的上升时间有点长，但普通家用电器不需在短时间内反复开关，所以本电路基本能达到智能家居控制系统的要求。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t11.tif>； 图11 仿真结果 5? 结? 语 为了实现家居的智能管理，本文设计了一种监控家庭温度、湿度以及家用电器工作情况等参数的系统。实验证明，该系统能够准确及时获得温度、湿度以及电器工作状态各项参数，并且通过处理这些参数实现对部分家用电器的自动化控制。本系统基本完成了智能家居控制系统的设计要求，其他参数的传感测量、控制和本系统中的温度、湿度等有很大的相似之处，附加相应的传感器即可。随着物联网技术的进一步发展，无线传感芯片性价比进一步提高，智能家居必会带动家用电器领域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。 参考文献 [1] 陈殿生，刘静华，殷兰兰，等.服务机器人辅助老年人生活的新模式与必要性[J].机器人技术与应用，2010（2）：1?4. [2] 陈思国.嵌入式系统在智能家居中的应用[D].杭州：浙江大学，2005. [3] 徐卓农.智能家居系统的现状与发展综述[J].电气自动化，2004，26（3）：3?8. [4] 金家红.家庭物联网技术在智能家居系统的应用[J].现代电子技术，2013，36（10）：56?58. [5] 顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报，2011，20（3）：160?167. [6] XIA Fei. Research of wireless sensor network node based on Z?Stack protocol [J]. Electronic Component &； Device Application [J]. 2009，11（12）： 74?76. [7] 马毅，张宏宇.多路铂电阻测温系统设计[J].电子测量技术，2012，35（5）：87?89. [8] 韩小斌，朱永文.数字式温度传感器DS18B20及其应用[J].电子技术，2002，29（5）：43?45. [9] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：70?71. <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t10.tif>； 图10 PC端超级终端湿度显示 将图4中[R7]设定为1 kΩ，[R9]设定为50 kΩ在Multisim软件中进行仿真，仿真结果如图11所示。正弦波为[R7]两端电压波形，另一个波形为[R9]两端电压也就是最终输出CC2530的电压，从仿真结果可以看出，电路输入0.5 s后输出端电压稳定于3 V左右，可以被CC2530读取。虽然输出电压0.5 s的上升时间有点长，但普通家用电器不需在短时间内反复开关，所以本电路基本能达到智能家居控制系统的要求。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼40t11.tif>； 图11 仿真结果 5? 结? 语 为了实现家居的智能管理，本文设计了一种监控家庭温度、湿度以及家用电器工作情况等参数的系统。实验证明，该系统能够准确及时获得温度、湿度以及电器工作状态各项参数，并且通过处理这些参数实现对部分家用电器的自动化控制。本系统基本完成了智能家居控制系统的设计要求，其他参数的传感测量、控制和本系统中的温度、湿度等有很大的相似之处，附加相应的传感器即可。随着物联网技术的进一步发展，无线传感芯片性价比进一步提高，智能家居必会带动家用电器领域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。 参考文献 [1] 陈殿生，刘静华，殷兰兰，等.服务机器人辅助老年人生活的新模式与必要性[J].机器人技术与应用，2010（2）：1?4. [2] 陈思国.嵌入式系统在智能家居中的应用[D].杭州：浙江大学，2005. [3] 徐卓农.智能家居系统的现状与发展综述[J].电气自动化，2004，26（3）：3?8. [4] 金家红.家庭物联网技术在智能家居系统的应用[J].现代电子技术，2013，36（10）：56?58. [5] 顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报，2011，20（3）：160?167. [6] XIA Fei. Research of wireless sensor network node based on Z?Stack protocol [J]. Electronic Component &； Device Application [J]. 2009，11（12）： 74?76. [7] 马毅，张宏宇.多路铂电阻测温系统设计[J].电子测量技术，2012，35（5）：87?89. [8] 韩小斌，朱永文.数字式温度传感器DS18B20及其应用[J].电子技术，2002，29（5）：43?45. [9] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：70?71. |
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