基于Zigbee的智能窗戶控制系統(tǒng)

夏伏洋

摘要： 本文設(shè)計(jì)了基于Zigbee的智能窗戶控制系統(tǒng)，設(shè)置主控制模塊的CC2530單片機(jī)為協(xié)調(diào)器，其它CC2530單片機(jī)為終端節(jié)點(diǎn)建立無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在主控制模塊上集成GSM模塊、燃?xì)鈧鞲衅髂K，其中GSM模塊可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程短信控制系統(tǒng)的功能，燃?xì)鈧鞲衅髂K可以檢測環(huán)境中可燃?xì)怏w的濃度，超出規(guī)定的閾值及時(shí)進(jìn)行開窗控制。終端節(jié)點(diǎn)上集成了雨滴傳感器、人體熱釋電傳感器、電機(jī)控制模塊，由傳感器進(jìn)行信息采集，送到終端節(jié)點(diǎn)單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最終控制電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開閉工作。

關(guān)鍵詞：Zigbee；單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；智能窗戶

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0187-03

The Control System of Smart Window Based on Zigbee

XIA Fu-yang

（Wuxi Vocational College of Science of Technology， Wuxi 214028， China）

Abstract：A control system of smart window based on zigbee technology was designed in this paper. It sets the main control module of CC2530 for the coordinator device，the others cc2530 was setted as end devices.The devices build on the wireless communication system.The GSM module and gas sensor module in the main control board.GSM module could realize the function of telephone control and the gas sensor could detect the gas concentrations in air.The system will open the window if the detected value lager than the setting threshold value.There are rain sensors，person sensors and motor control modules in these end devices.These sensors gather information and transmit it to MCU，the MCU analysises the information and controls windows works well.

Key words： Zigbee；CC2530； Embedded System； Smart Window

日常生活中，白天外出上班無人在家，或者夜里人們都已經(jīng)熟睡的時(shí)候，如果家里的窗戶打開著，外面又下起雨來，就需要及時(shí)將窗戶關(guān)上，不讓外面的雨水進(jìn)入到室內(nèi)；如果家里使用的燃?xì)獍l(fā)生泄漏，一旦超過了一定了濃度就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)，所以就需要第一時(shí)間打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)，及時(shí)降低可燃?xì)怏w的在空氣中的濃度；如果窗戶打開著，有小偷想從窗戶進(jìn)入室內(nèi)，就需要及時(shí)關(guān)閉窗戶并發(fā)出警報(bào)；又如果你在外面想讓家里的窗戶打開換氣或者直接關(guān)閉窗戶，這些都很難實(shí)現(xiàn)。

為了解決上述問題，本文提出了一種窗戶智能控制系統(tǒng)，它是基于Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，通過雨水傳感器實(shí)時(shí)感知室外雨量信息。一旦檢測到有雨水時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器進(jìn)行分析處理，并由協(xié)調(diào)器發(fā)出控制信號到所有終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉所有窗戶；通過燃?xì)鈧鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)空氣中的天然氣、液化氣的濃度，當(dāng)濃度超過警戒值時(shí)，發(fā)出控制信號，自動(dòng)打開所有窗戶；通過人體紅外熱釋電傳感器檢測到窗外有人要闖入室內(nèi)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉窗戶并發(fā)出警報(bào)；系統(tǒng)集成GSM模塊，通過手機(jī)短信發(fā)送控制命令信來打開或者關(guān)閉窗戶。

1 Zigbee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是目前使用非常廣泛的一種短距離的無線通信技術(shù)。它采用跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)，成本低，無線通信的性能非?？煽糠€(wěn)定。它有自己的無線通信協(xié)議，可與若干個(gè)節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)網(wǎng)，可以在數(shù)千個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間相互通信。ZigBee最大的特點(diǎn)是它的低成本和低功耗，這使得其在需要使用無線通信的各個(gè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用和發(fā)展空間。

目前Zigbee協(xié)議主要應(yīng)用于CC2530單片機(jī)，它是一款SoC片上系統(tǒng)單片機(jī)，完全兼容8051內(nèi)核，在該51內(nèi)核的外圍集成了射頻模塊，使其具有無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。它是目前應(yīng)用最廣泛、操作最簡單的無線通信設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案包括手機(jī)、窗戶控制系統(tǒng)，其中手機(jī)具有發(fā)送和接收短信功能，窗戶控制系統(tǒng)包括CC2530主控制模塊、多個(gè)CC2530傳感控制終端節(jié)點(diǎn)；主控制模塊如圖1所示，包括CC2530單片機(jī)、燃?xì)鈧鞲衅髂K、數(shù)碼管、警報(bào)器模塊、GSM模塊、按鍵模塊；CC2530單片機(jī)配置為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)并管理其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。燃?xì)鈧鞲衅髂K的輸出TTL電平的信號線接單片機(jī)的外部中斷輸入引腳上；數(shù)碼管、警報(bào)器模塊包括1個(gè)2位8段數(shù)碼管接單片機(jī)的IO引腳和1個(gè)由單片機(jī)U1的IO引腳連接繼電器控制的12V的聲音報(bào)警器；GSM模塊主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，通過SIM卡發(fā)送和接收短信，將數(shù)據(jù)通過RS232串口與單片機(jī)相連。按鍵模塊包括兩個(gè)按鍵，接單片機(jī)的兩個(gè)輸入輸出IO口上。

圖1 主控制模塊圖

傳感控制終端節(jié)點(diǎn)如圖2所示，包括CC2530單片機(jī)、雨滴傳感器模塊、人體紅外熱釋電傳感器模塊、電機(jī)控制模塊、按鍵模塊；通過程序下載軟件配置CC2530單片機(jī)為終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)上電后會(huì)自動(dòng)加入到無線網(wǎng)絡(luò)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集和電機(jī)控制。雨滴傳感器模塊的輸出信號線接的外部中斷輸入引腳INT（1）；人體紅外熱釋電傳感器模塊的輸出信號線接單片機(jī)的外部中斷輸入引腳INT（2）；電機(jī)控制模塊如圖3所示，包括兩個(gè)BTS7960電機(jī)控制芯片、電流傳感器模塊、ADC0809 AD轉(zhuǎn)換芯片、電機(jī)接線端子；按鍵模塊包括兩個(gè)按鍵，接單片機(jī)的兩個(gè)輸入輸出IO口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

基于Zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)，通過軟件設(shè)置其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，另外的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器軟件工作流程如圖4所示。終端節(jié)點(diǎn)初始化后自動(dòng)加入到協(xié)調(diào)器組建的無線網(wǎng)絡(luò)中，可以和協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行無線通信。終端節(jié)點(diǎn)通過連接在單片機(jī)上的傳感器定時(shí)采集環(huán)境信息，并調(diào)用Zigbee協(xié)議棧里的無線發(fā)送函數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)議棧里的無線接收函數(shù)實(shí)時(shí)接收協(xié)調(diào)器無線發(fā)送的控制命令，根據(jù)指令操作電機(jī)來控制窗戶的開閉工作。如圖5所示。

3.2 系統(tǒng)程序的控制方法

主控制模塊放置于廚房間，其他的傳感控制終端節(jié)點(diǎn)放置在需要自動(dòng)控制的窗戶旁邊，其中窗戶為可以電動(dòng)開閉的窗戶。系統(tǒng)分別上電后，窗戶控制系統(tǒng)中的所有CC2530單片機(jī)自動(dòng)組建無線網(wǎng)絡(luò)，主控制模塊的CC2530單片機(jī)為協(xié)調(diào)器，其他CC2530單片機(jī)都為終端節(jié)點(diǎn)。手機(jī)向窗戶控制系統(tǒng)的SIM卡發(fā)送短信，短信內(nèi)容為“open”或者“close”，窗戶控制系統(tǒng)上的SIM卡收到短信后，將短信的內(nèi)容通過串口傳遞給CC2530協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器讀取短信的內(nèi)容，如果是“open”字符串，則協(xié)調(diào)器將字符串“open”向所有終端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送；如果是“close”字符串，則協(xié)調(diào)器將字符串“close”向所有終端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送。字符串廣播發(fā)送完成之后，單片機(jī)通過串口發(fā)送字符串“Command Finished”到GSM模塊，GSM模塊的串口收到信息后，將信息通過短信發(fā)送到用戶手機(jī)。

主控制模塊置于廚房間，燃?xì)鈧鞲衅髂K定時(shí)循環(huán)檢測空氣中可燃?xì)怏w的濃度，一旦濃度超過警戒值，模塊的TTL電平輸出信號線上的由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，立刻觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，設(shè)置此外部中斷具有最高優(yōu)先級，在外部中斷的處理程序中調(diào)用無線發(fā)送函數(shù)，將字符串“open”向所有終端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送。字符串廣播發(fā)送完成之后，單片機(jī)將主控節(jié)點(diǎn)編號顯示在數(shù)碼管上并控制聲音報(bào)警，然后通過串口發(fā)送字符串“Gas Alarm”到GSM模塊。

每個(gè)傳感控制終端節(jié)點(diǎn)都有雨滴傳感器模塊，雨滴傳感器置于窗外，其中任何一個(gè)雨滴傳感器檢測到有雨水信息時(shí)，它的輸出信號線上由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，立刻觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，在外部中斷處理程序中向協(xié)調(diào)器發(fā)送“RAIN”字符串。協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的字符串，并分析字符串是否為“RAIN”，如果是則協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中所有的終端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送“close”字符串。字符串廣播發(fā)送完成之后，單片機(jī)通過串口發(fā)送字符串“Rain Windows Closed”到GSM模塊，GSM的串口收到信息后，自動(dòng)將信息以短信形式發(fā)送到指定的用戶手機(jī)。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置窗戶的初始狀態(tài)為關(guān)閉，狀態(tài)標(biāo)志為“G”，窗戶打開后，狀態(tài)標(biāo)志為“K”。終端節(jié)點(diǎn)收到廣播信息后對字符串進(jìn)行分析，如果是“open”字符串且狀態(tài)標(biāo)志為“G”，則控制電機(jī)控制模塊打開窗戶，并設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志為“K”；如果是“close”字符串且狀態(tài)標(biāo)志為“K”，則控制電機(jī)控制模塊關(guān)閉窗戶，并設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志為“G”；如果不是上述兩類字符串，則該數(shù)據(jù)直接丟棄。

電流傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測窗戶電機(jī)的工作電流，窗戶在移動(dòng)的過程中電機(jī)的工作電流較小，一旦窗戶移動(dòng)到底不能再繼續(xù)移動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)的工作電流會(huì)突然增大，這時(shí)電流傳感器模塊可以實(shí)時(shí)檢測到這個(gè)變化通過AD轉(zhuǎn)化芯片ADC0809將信息傳輸給CC2530單片機(jī)，單片機(jī)收到此信息后控制電機(jī)停止工作，這樣就可以完成窗戶的開閉動(dòng)作。在主控制模塊單片機(jī)端另外提供了鍵盤電路，可以手動(dòng)按下“開”、“關(guān)”按鍵，同樣可以實(shí)現(xiàn)打開、關(guān)閉所有窗戶的功能。在傳感控制終端節(jié)點(diǎn)端也提供了鍵盤電路，可以手動(dòng)按下“開”、“關(guān)”按鍵，打開和關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的窗戶。應(yīng)用該系統(tǒng)后，操作簡單方便，大大減輕了操作者開關(guān)窗戶的負(fù)擔(dān)。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種窗戶智能控制系統(tǒng)，通過手機(jī)發(fā)送控制命令的短信到窗戶控制系統(tǒng)上，可以遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉所有窗戶。窗戶控制系統(tǒng)上的雨滴傳感器模塊一旦傳感器采集到雨水信息時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)通過無線方式發(fā)送指令給所有終端控制窗戶上的電機(jī)工作，從而可以關(guān)閉窗戶。操作根據(jù)雨水信息自動(dòng)進(jìn)行，大大減輕了操作者開關(guān)窗戶的負(fù)擔(dān)。同時(shí)也可以通過每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的按鍵控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)來打開或者關(guān)閉窗戶，具有較好的實(shí)用性。

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