一種基于ZigBee的簡易智能家居控制系統(tǒng)

王洋　許鵬

【摘 要】本文設(shè)計的簡易智能家居控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制核心，以CC2530型ZigBee模塊實現(xiàn)指令及數(shù)據(jù)的無線傳輸，分為控制終端和功能平臺兩個部分。用戶從控制終端的上位機(jī)軟件發(fā)送指定指令，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)控制功能平臺各節(jié)點(diǎn)的硬件，執(zhí)行預(yù)定的各項操作。該系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、硬件結(jié)構(gòu)簡單，適用于各種室內(nèi)外場所；其性價比高、功能多樣，可實現(xiàn)多種智能家居控制功能。

【關(guān)鍵詞】智能家居；STC12；ZigBee；無線控制

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，特別是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，智能家居便是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生的。

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控制、環(huán)境監(jiān)測、室內(nèi)外遙控、防盜報警、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段，可提供全方位的信息交互功能，甚至可以節(jié)約能源和資金。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了一個基于ZigBee的簡易智能家居控制系統(tǒng)。具體而言，用戶可以通過控制終端的上位機(jī)軟件實現(xiàn)對功能平臺各節(jié)點(diǎn)的硬件的無線控制，包括：

（1）通過上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令，無線控制溫濕度傳感器采集節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)，并隨即將數(shù)據(jù)送回給上位機(jī)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能；

（2）通過上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令，無線控制繼電器開關(guān)狀態(tài)，以實現(xiàn)對大電壓或大電流工作的電器的無線啟動或關(guān)閉，即家電控制、照明控制等功能；

（3）通過上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令，無線控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行高精度的各種形式的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)房門的自動開關(guān)、電動窗簾控制等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本簡易智能家居控制系統(tǒng)以基于51內(nèi)核的STC12C5A60S2微控制器為核心，在不同節(jié)點(diǎn)的ZigBee自動組網(wǎng)后，即可實現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)的無線傳輸；使用AM2320溫濕度傳感器采集環(huán)境節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)；使用Nokia5110液晶顯示屏實時顯示當(dāng)前的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)；使用SRD-05VDC-SL-C繼電器間接實現(xiàn)家電或照明等控制；使用24BYJ-48步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生各種高精度的轉(zhuǎn)動狀態(tài)以實現(xiàn)房門或窗簾等的開合。簡易智能家居控制系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計如圖1所示。

2.1 通用I/O口功能設(shè)計

（1）ZigBee模塊接單片機(jī)的UART（P3^0和P3^1）；

（2）AM2320溫濕度傳感器接單片機(jī)的P1^0和P1^1口模擬的IIC總線；

（3）Nokia5110液晶顯示屏接單片機(jī)的P2口；

（4）24BYJ-48步進(jìn)電機(jī)接單片機(jī)的P0口的低四位；

（5）SRD-05VDC-SL-C繼電器接單片機(jī)的P3^6口。

2.2 主要部件的選擇

（1）ZigBee模塊以TI 公司的CC2530為核心處理器，作為本系統(tǒng)的傳輸核心，模塊型號為ZB502。采用第三方提供的協(xié)調(diào)器和路由器的固件，可非常方便地實現(xiàn)多個模塊之間組網(wǎng)，從而實現(xiàn)控制終端和功能平臺之間指令和數(shù)據(jù)的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技公司基于51內(nèi)核的8位微控制器，存儲方式為哈佛結(jié)構(gòu)。該芯片是單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒）。工作頻率0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz，片上集成1280字節(jié) RAM，共4個16位定時器，通用全雙工異步串行口（UART），有EEPROM功能和看門狗功能[2]。

（3）AM2320數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，通信方式采用單總線、標(biāo)準(zhǔn)IIC兩種通信方式。兩種通信方式都采用直接輸出經(jīng)溫度補(bǔ)償后的濕度、溫度及校驗CRC等數(shù)字信息，可得到準(zhǔn)確的溫濕度信息[3]。

（4）Nokia5110液晶顯示屏是84*48的點(diǎn)陣LCD，可顯示4行漢字，8位接口控制，傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間[4]。

（5）24BYJ-48步進(jìn)電機(jī)是一種高精度的電機(jī)，減速比為1/64，步距角則為5.625°/64 = 0.087890625°，可編程控制其實現(xiàn)各種高精度的轉(zhuǎn)動狀態(tài)[5]。

（6）SRD-05VDC-SL-C繼電器相當(dāng)于一個單刀雙擲開關(guān)，通過單個引腳的高低電平控制即可實現(xiàn)開或關(guān)的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，等待所有硬件（尤其是ZigBee模塊需要一定的開機(jī)時間）都啟動成功之后，用戶便可通過上位機(jī)軟件發(fā)送指定指令對系統(tǒng)進(jìn)行無線控制。

3.1 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

用戶通過電腦發(fā)送的指令通過USB轉(zhuǎn)串口線發(fā)送給ZigBee模塊（協(xié)調(diào)器），再由此ZigBee模塊（協(xié)調(diào)器）將指令無線轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)處的ZigBee模塊（路由器），指令數(shù)據(jù)再由串口發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)對指令做出分析判斷，如果接收到的指令在上表所列的指令之內(nèi)，則執(zhí)行上表中所指的功能操作；否則不予響應(yīng)。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖如下圖2。

2.2 無線通信指令定義

預(yù)先通過專用的配置軟件或串口調(diào)試助手，使用AT指令將ZigBee模塊的UART串口配置為串口0，波特率設(shè)置為38400 bps，無流控制；PANID局域網(wǎng)標(biāo)志符和自身短地址使用系統(tǒng)默認(rèn)隨機(jī)分配的即可；配置CHANNEL通信信道和頻率為11/2405MHz。

用戶通過上位機(jī)發(fā)送的指令必須為規(guī)定的指令，否則系統(tǒng)對用戶所發(fā)送的指令將不予響應(yīng)。如表1所示，自定義的指令共5條，指定內(nèi)容中“P2P”表示“點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸”[6]，“143E”表示“節(jié)點(diǎn)處ZigBee的短地址”，指令中的數(shù)字代表指令序號。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試

將系統(tǒng)硬件組裝完成后上電啟動，當(dāng)所有硬件模塊正常工作時，部分硬件有工作指示燈長亮或閃爍。當(dāng)控制終端的ZigBee模塊由LED1和LED2交替閃爍的狀態(tài)變?yōu)長ED3長亮?xí)r，則說明新建網(wǎng)絡(luò)成功；當(dāng)功能平臺的ZigBee模塊由LED1和LED2交替閃爍的狀態(tài)變?yōu)長ED3長亮?xí)r，則說明此模塊加入新建網(wǎng)絡(luò)成功；當(dāng)功能平臺的Nokia5110液晶顯示“Temperat：26.4C”和“Humidity：71.7%”時，則說明溫濕度傳感器和液晶顯示屏工作正常。系統(tǒng)組裝運(yùn)行效果如圖3所示。

用戶通過上位機(jī)發(fā)送預(yù)先定義的指令，即可對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。例如，通過上位機(jī)軟件發(fā)送讀取溫濕度數(shù)據(jù)的指令（P2P 143E 1），約1秒鐘左右，在上位機(jī)軟件的接收框內(nèi)即可顯示功能平臺無線傳送回來的溫濕度數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖4所示。

由此可見，用戶通過上位機(jī)軟件發(fā)送相應(yīng)指令，即可無線控制溫濕度傳感器獲取節(jié)點(diǎn)處實時、精確的溫濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能；繼電器間接控制電器的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)家電控制、照明控制功能；步進(jìn)電機(jī)可以任意轉(zhuǎn)動形式高精度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)房門的自動開關(guān)、電動窗簾控制等功能。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了智能家居的控制功能，具有較好的適應(yīng)性和移植性等，但本身也存在一些如功能還不夠完善等不足。后期對系統(tǒng)進(jìn)行升級，可按用戶需求增添節(jié)點(diǎn)處的各種硬件，以增加系統(tǒng)更加豐富的實際功能，且整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、性價比極高，可很方便地對整套硬件的進(jìn)行復(fù)制。因此本套系統(tǒng)雖仍有一定的進(jìn)步空間，卻也有著極大的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]婁亞楠. 中國智能家居應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)[J]. 中國公共安全（綜合版），2013.

[2]南通宏晶科技有限公司. STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊[S].2015.

[3]廣州奧松電子有限公司. 數(shù)字溫濕度傳感器AM2320產(chǎn)品手冊[S].2014.

[4]Philips 半導(dǎo)體. 驅(qū)動芯片PCD8544中文數(shù)據(jù)手冊[S].1999.

[5]佛山市勝安制冷配件有限公司[Z]. 24BYJ-48（5V），2011.

[6]深圳微雪電子有限公司. CC2530模塊使用手冊 V1.0，2014[S].

[責(zé)任編輯：曹明明]