無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)

湯斯茗，李 新，李春風(fēng)

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110087；2.沈陽(yáng)通美電器有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)生活品質(zhì)要求越來越高，而傳統(tǒng)的家電已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此智能家理念電悄然興起。智能家電是指將微電腦和通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器中，使之智能化并具有網(wǎng)絡(luò)終端功能，可以隨時(shí)隨地地獲取與處理信息的消費(fèi)電子產(chǎn)品[1]，其重要的特征是通過Internet傳遞數(shù)字信息[2]?；诖耍O(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信協(xié)議的智能空調(diào)控制系統(tǒng)的外圍電路。結(jié)合原空調(diào)控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制空調(diào)的運(yùn)行。

1 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

二十一世紀(jì)以來，比較流行的無線局域網(wǎng)通信分別有WIFI、Bluetooth、ZigBee，但是藍(lán)牙的傳輸距離短，WIFI的成本大、功耗高，而 ZigBee低成本、低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)適合應(yīng)用在短距離、傳輸信息少的無線控制系統(tǒng)中，更符合無線智能家電物美價(jià)廉、節(jié)能減排的綠色理念。因此，基于ZigBee通信協(xié)議的智能家電控制系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。

2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一組被稱為層的模塊組成[3]。下面的一層為上面的一層執(zhí)行特定的服務(wù)，即數(shù)據(jù)實(shí)體提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供了所有其它的服務(wù)。上層由服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)提供一個(gè)接口。物理層和媒體介質(zhì)訪問層由IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數(shù)據(jù)連接，MAC層控制數(shù)據(jù)包的物理尋址，網(wǎng)絡(luò)層是確定網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，應(yīng)用層為應(yīng)用程序服務(wù)。每層機(jī)構(gòu)通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口和管理服務(wù)接口進(jìn)行相鄰層之間的通信。

3 PCB內(nèi)部天線的設(shè)計(jì)

使用PCB內(nèi)部天線時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，需要設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的天線長(zhǎng)度。由CC2530芯片可以知道，系統(tǒng)的頻率 f為 2.4 GHz，光的傳播速度 C0為 3×108m/s，可計(jì)算真空中的波長(zhǎng)，如公式（1）所示：

當(dāng)電磁波在其他介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，可根據(jù)介質(zhì)與真空的介電常數(shù)計(jì)算在介質(zhì)中的傳播速度，如公式（2）所示：

由于在制作PCB板子時(shí)，介電常數(shù)還會(huì)受到PCB板子厚度h以及線寬w的影響，因此有效介電常數(shù)εeff如公式（3）所示：

由此可算出PCB天線的半波振子LHW_PCB的長(zhǎng)度，如公式（4）所示：

設(shè)計(jì)的PCB板子的材料是FR4，該板子的介電常數(shù)為4.2，板子的厚度為1.6mm，天線寬度為1 mm，計(jì)算出有效值為2.965，電磁波在板子中的波長(zhǎng)為72.594mm，因此PCB內(nèi)部天線的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為36.33mm。

4 整體電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的ZigBee智能空調(diào)系統(tǒng)需要一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)?；赯igBee協(xié)議設(shè)計(jì)的外圍電路，系統(tǒng)框圖如圖1所示，無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的結(jié)構(gòu)是星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]，由一個(gè)全功能協(xié)調(diào)器（采集模塊），一個(gè)LCD液晶及溫度傳感器的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)（傳感模塊）組成。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

采集模塊通過串口與PC機(jī)相連，傳感器模塊被布置在家中的空調(diào)上，通過溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，然后溫度數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給采集模塊，通過串口通信傳遞到上位機(jī)，家庭成員通過Internet遠(yuǎn)程查看溫度；也可以遠(yuǎn)程設(shè)定空調(diào)溫度，即通過上位機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的設(shè)定，進(jìn)而反向傳輸?shù)絺鞲心K的LCD液晶上顯示。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由傳感模塊、采集模塊和電源模塊組成。

5.1 通信模塊的選擇

設(shè)計(jì)過程中為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的能力[5]，選用了帶有256 K Flash和標(biāo)準(zhǔn)8051增強(qiáng)型處理器的CC2530作為核心模塊。

CC2530模塊是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE802.15.4協(xié)議的2.4GHz無線射頻單片機(jī)，該款模塊能滿足Z－Stack運(yùn)行內(nèi)存容量的要求[6]；支持2.0～3.6 V供電電壓，具有3種電源管理模式:喚醒模式、睡眠模式、終端模式[7]；傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250 kbps，非常適合應(yīng)用在智能空調(diào)上?；贑C2530模塊最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

5.2 采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

采集模塊主要負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉(zhuǎn)換電路、電源電路、串口、復(fù)位鍵、指示燈以及天線組成。由于CC2530模塊的工作電壓是3.3 V，所以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片REG1117把5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。指示燈是用來表示采集模塊是否成功建立網(wǎng)絡(luò)等狀態(tài)信息。采集模塊通過點(diǎn)播的形式發(fā)送控制指令給傳感模塊，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式最多用5字節(jié)表示。

5.3 傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)

傳感模塊是智能空調(diào)控制系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。傳感模塊除了包含有采集模塊組成部分外，還具有溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示部分。傳感模塊需要一個(gè)串口線即可實(shí)現(xiàn)DS18B20溫度傳感器和PC機(jī)的雙向通信。

當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度時(shí)，CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為傳輸數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備，通過LCD顯示出來并發(fā)送給采集模塊。上位機(jī)設(shè)定溫度后，通過采集模塊反向傳給傳感模塊并在LCD上顯示。當(dāng)傳輸或接受完畢后，傳感模塊進(jìn)入休眠模式，使控制器進(jìn)入低功率模式來延長(zhǎng)電池壽命。

5.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路為智能空調(diào)系統(tǒng)的其他功能模塊供電，保證模塊的正常工作。模塊中，下載設(shè)備和調(diào)試設(shè)備需要5 V供電，芯片CC2530需要3.3 V供電，因此采用電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為了充分滿足不同工作環(huán)境，系統(tǒng)采用3種供電方式：電池供電、USB供電、穩(wěn)壓電源直流供電。

6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench For C8051，在此環(huán)境下完成對(duì)CC2530程序的編程、編譯、調(diào)試，利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的下載工作。軟件設(shè)計(jì)主要采用TI公司CC2530提供支持的免費(fèi)ZigBee協(xié)議軟件，以C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，在 Z－Stack通用模板的基礎(chǔ)上通過改動(dòng)APP程序，來實(shí)現(xiàn)無線智能空調(diào)的控制。

6.1 采集模塊軟件設(shè)計(jì)

圖2 最小系統(tǒng)原理圖Fig.2 The schematic diagram ofminimum system

采集模塊程序包括系統(tǒng)初始化、信道掃描、協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)和接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等代碼程序。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先初始化軟硬件，建立網(wǎng)絡(luò)并給每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配ID地址，然后系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到無線傳感模塊終端發(fā)送的命令時(shí)，再發(fā)送控制命令到節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)溫度的控制。采集模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3 采集模塊程序流程圖Fig.3 The flow chart of the acquisitionmodule

采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配的地址時(shí)，是按樹型結(jié)構(gòu)不同層d的深度對(duì)傳感模塊進(jìn)行地址分配的[8]，其不同層d分配的地址之間的間隔為 Cskip（d），公式如（6）所示：

其中，Lm是結(jié)構(gòu)的最大深度；Cm是組網(wǎng)中能擁有傳感模塊的最多個(gè)數(shù)；Rm是組網(wǎng)中路由器的最多個(gè)數(shù)。

當(dāng)設(shè)備地址之間的間隔為0時(shí)，說明組網(wǎng)中沒有路由器，因此不能接受任何傳感設(shè)備。當(dāng)?shù)刂分g的間隔大于0時(shí)，才可以給傳感模塊分配地址。

當(dāng)采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配地址時(shí)，首先給第一個(gè)子模塊分配比自身地址大1的組網(wǎng)地址，然后以地址之間的間隔Cskip（d）為公差依次進(jìn)行遞增，之后依次分配給其他子模塊。地址分配如公式（7）所示：

公式（7）中，上面的式子是為多個(gè)傳感模塊分配的地址公式，下面的式子是為多個(gè)路由器分配的地址公式，Aparent為采集模塊自身的地址。

6.2 傳感模塊軟件設(shè)計(jì)

傳感模塊會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)出綁定請(qǐng)求，等待采集模塊綁定響應(yīng)。如果沒有響應(yīng)，傳感模塊將會(huì)周期性的繼續(xù)搜索。如果綁定成功，會(huì)每隔1 s發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，然后再分兩個(gè)路徑分別傳遞，一是通過無線ZigBee技術(shù)傳遞給采集模塊，另一個(gè)是直接在LCD液晶進(jìn)行顯示。當(dāng)傳感模塊通過無線ZigBee技術(shù)接收到采集模塊發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)也會(huì)在LCD液晶屏上顯示。傳感模塊程序流程圖如圖4所示。

7 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果及分析

無線智能空調(diào)外圍電路的測(cè)試結(jié)果分為兩個(gè)部分，一是上位機(jī)上顯示的每隔1 s采集的溫度數(shù)據(jù)及我們對(duì)空調(diào)設(shè)定的溫度。另一部分是通過LCD液晶顯示的室內(nèi)溫度和通過無線傳輸接收到的設(shè)定的溫度，如圖5所示。

圖4 傳感模塊程序流程圖Fig.4 The flow chart of the sensormodule

圖5 測(cè)試結(jié)果Fig.5 The test results

測(cè)試結(jié)果表明：無線智能空調(diào)外圍電路控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)采集，以及遠(yuǎn)距離的無線傳輸?shù)目刂?，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、體積小、移植性強(qiáng)、傳輸距離可達(dá)20 m左右，可穿透障礙物等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

8 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)是基于ZigBee的無線智能空調(diào)外圍電路的設(shè)計(jì)。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無線智能空調(diào)控制系統(tǒng)更具有移植性強(qiáng)，省電，靈活小巧等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在很多場(chǎng)合，方便人們的生活。PCB內(nèi)部天線的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為36.33mm使抗干擾能力增強(qiáng)，收發(fā)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。系統(tǒng)以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免了傳統(tǒng)排線繁瑣的缺點(diǎn)，更適用于當(dāng)今社會(huì)的需要。

[1]童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴拢锫?lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J]．移動(dòng)通信，2010（9）:16-20．TONG Xiao-yu，F(xiàn)ANG Bing-yi，ZHANG Yun-yong.The development analysis of the internet of things intelligent household[J].The Mobile Communication，2010（9）:16-20.

[2]齊勝濤，劉翔字．國(guó)內(nèi)外智能家居的研究現(xiàn)狀及可實(shí)現(xiàn)的功能分析[J]．科技信息，2011（33）:12-13．QI Sheng-tao，LIU Xiang-yu.The research status of smart home at home and abroad and realize the function of the analysis[J].Science and Technology Information，2011（33）:12-13.

[3]Gislason， Drew， Gillman.ZigBee wireless sensor networks-ZigBee is an emerging wireless protocol designed for lowcost，high-reliability sensor networks[J].Software Tools for the Professional Programmer，2004，1（29）:40-42.

[4]高守瑋，吳燦陽(yáng)．ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]Nan Z L，Sun G X.Design of smart home system based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2010，18（7）:117-119.

[6]敖志剛．智能家庭網(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，2011．

[7]王小強(qiáng)，歐陽(yáng)?。甖igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

[8]向王明．ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的研究與實(shí)現(xiàn) [J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2006，14（11）:129-132．XIANGWang-ming.The research and implementation of the network layer of the ZigBee protocol [J].Electronic Technology Applications， 2006， 14（11）:129-132.