基于ZigBee的智能家居控制系统设计

(整期优先)网络出版时间:2021-02-24
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基于 ZigBee的智能家居控制系统设计

周国元

广东万和新电气有限公司 广东 佛山 528000


摘要:随着经济的发展,生活水平的提高,生活节奏的加快,设计一种智能化的居住环境可以为人们的生活提供各种便利。同时,人们也渴望一种智能化的居住环境,保证生活的安全性、快捷性便利性。智能家居融合了无线传感网络技术和计算机技术。该文介绍,智能家居控制系统采用了ZigBee技术。系统的架构和总体设计为:通过ZigBee技术,使用CC2530作为无线传感网络节点的核心芯片,CC2530连接传感器,构成节点。节点之间采用星形网络拓扑结构,组成智能家居传感网络。节点设备可以对家居环境内的状态信息进行采集和数据预处理。该系统虽然不足以反映现代智能家居系统的全貌,但是在某些方面体现出智能家居的方便性和实用性,以及其广泛的应用前景。

关键词智能家居;ZigBee;无线通信;传感器


一、ZigBee无线通信技术

1.1 ZigBee概述

ZigBee是由ZigBee联盟基于IEEE802.15.4无线标准研制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率及低成本的无线通信技术,相比Wi-Fi无线通信技术的高成本、蓝牙无线通信技术的设备连接数量少来说,ZigBee无线通信技术更适合应用于住宅、商业及工业等领域。

1.2 CC2530芯片的特点

ZigBee无线通信技术的作用在于搭建一个小范围内的无线局域网,用于传感器的数据采集和监控。本文采用TI公司研发的CC2530芯片,支持ZigBee底层协议,可与Z-Stack协议栈配合使用。CC2530芯片有一个高性能、低功耗、带程序预取功能的8051微控制器内核、2.4GHzRF收发器、内存和Flash存储器等,其中CC2530F256结合了ZigBee2007/Pro标准,提供了强大、完善的ZigBee解决方案,一般在ZigBee开发中多作为首选芯片。

二、系统设计

2.1总设计方案

基于ZigBee无线通信技术,将PC或手机终端作为上位机(即协调器),灯、百叶窗作为下位机(即终端设备)的控制对象。实现上位机与终端设备进行通信需要建立网关模块,上位机是用来控制网关与终端设备进行信息交互的,对控制网关发送或接收命令以完成系统的无线通信功能。利用路由器实现网关功能,将协调器和终端设备联系起来,模拟实现“一对多”模式下的系统构建,如图1所示。

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传感器接口技术是下位机模块的重要组成部分,相当于人的感觉器官,能够把特定的被测量信息按照一定的规律转换成某种可用信号,是系统工作的数据来源。在电子产品的设计上,大多是将物理信号转换为数字电信号,实现电机控制等特定的控制功能。实现某一控制使用的传感器类型越多,则设计难度越大、复杂度越高。本文仅使用光敏传感器作为数据采集器,搭建简易的智能家居控制系统,阐明系统的设计理念。

待传感器收集数据后,在集成了CC2530芯片的ZigBee开发板上实现数据的处理和通信,微控制器模块、存储器模块、无线收发模块、电源模块以及其他外设功能模块构成一个ZigBee节点,传感器模块属于外设功能模块。本文讨论了2个ZigBee节点下的模块设计,但在实际应用开发中,往往需要多个ZigBee节点。

2.2系统硬件设计

1)智能灯模块设计

目前市面上在智能灯上面的技术比较成熟,利用光敏传感器采集数据,在CC2530单片机的数据处理下,使室内的光线保持在人眼的舒适光线范围内,实现环保、节能。灯光的亮度可以通过光敏传感器采集到的数据自动或手动地做出改变,同时也可以通过上位机控制去设计实现其他功能,例如灯的光照类型、开关时长等,当人处于不同的精神状态或工作状态时,使灯光在暖光、白光、自然光之间切换,能够舒缓压力。

2)百叶窗模块设计

百叶窗通过控制电机的转向,调节单片的偏转角度,改变整体透光度,使室内光线亮度随着室外光线亮度变化,维持室内的亮度,可减少灯的电能消耗,做到节能环保。工作原理如图2所示。

若设计使电机一直随着光线亮度变化而持续处于工作状态,会大大增加电能的消耗、缩短电机的使用寿命。因此,可将光线亮度划分为多个梯度变化的范围,单个范围的上限、下限对应电机正向转动、反向转动的情况。在划分梯度数量时,应合理限制梯度的数量,当划分的梯度数量越多,单位时间内电机可能转动次数就越多,即电机的工作频率增加,同样会影响电机的使用寿命以及电能的大量消耗。


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为避免光线亮度的不稳定,使得在范围临界点处电机转动紊乱,需在电机的开始转动之前设置一延时操作,重新核对光线亮度,若仍处于该范围,则电机转动。

2.3系统软件设计

上位机是反映家居控制状态以及室内环境数据并且可实现无线手动控制的控制终端,可使用ZigBee技术在手机终端软件实现对终端设备的手动控制,居住者可根据自身意愿改变环境的状态。上位机可以做到局域控制,也可以实现互联网远程监控,需要对路由器进行配置,接入虚拟服务器中。由于连接互联网会遇到互联网隐私安全防范等问题,在设计时需多加考虑。

使用上位机进行监控需要进行软件的设计,该软件需要具备基本的数据显示以及发送控制指令功能,本文作出以下设计:启动Android应用程序后,登陆到智能家居的系统控制界面,开始对智能灯与百叶窗进行监控,实现“一对多”的手动控制。

在界面中可呈现出当前室内的亮度情况,两个矩形的控制模块分别对应智能灯与智能窗帘。在单个模块里,可以使用按钮进行手动控制,调节智能灯的亮度为低或中或高,控制窗帘电机的正转、反转进而控制窗帘的透光度。


三、结语

常见的智能家居控制系统多以有线方式组建,该方式存在布线复杂以及价格高等问题,使得智能家居系统在庞大的中低端用户群中应用较少。近距离无线通讯中的WiFi技术以及蓝牙技术同样存在着实现复杂、成本高等不利因素。另外,当前的智能家居系统尚无相互连接的统一标准,致使系统的可扩展性和可维护性差。因此,本文基于ZigBee无线组网技术对智能家居控制系统进行设计研究,以期提高智能家居系统的经济性、实用性、可扩展性、可维护性和在低端用户群的普及性。


参考文献:

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[2]王一棋[1],何丽莉[1],胡成全[1],高岩[1],祝章伟[1].基于ZigBee和Internet的无线智能家居网关系统[J].吉林大学学报:理学版,2015,53(2):302-306.

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