基于WI-Zig技術(shù)的人居室內(nèi)溫度智能感知與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院　馬　順

0　引言

2013年2月，工信部發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，把智能家居列入9個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程之中。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2012年智能家居市場(chǎng)規(guī)模達(dá)600億元，預(yù)計(jì)2013年至2020年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到25%。而在智能家居市場(chǎng)中，智能家電領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)施的互聯(lián)，構(gòu)建智能的住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)安全舒適且環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。當(dāng)前，智能家居技術(shù)主要從兩個(gè)方面發(fā)展，一方面是單一家具本身更具智能化，比如通過有針對(duì)性的APP軟件控制空調(diào)、冰箱、彩電等家具；另一方面通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將家居鏈接在一起，開發(fā)綜合PC端或手機(jī)端軟件，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家具的綜合控制。從當(dāng)前技術(shù)來看，都需要一個(gè)控制平臺(tái)[2]，由人工通過控制平臺(tái)操作各種家具的使用，難以做到通過感知、分析、處理等全自動(dòng)化、智能化過程實(shí)現(xiàn)對(duì)人居室內(nèi)生活環(huán)境的綜合調(diào)控。因此，本文利用低功耗ZigBee模塊、WI-FI模塊、紅外學(xué)習(xí)模塊以及溫度傳感器等硬件設(shè)備再加上合法手機(jī)信號(hào)和家用空調(diào)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)全自動(dòng)感知、分析、處理控制人居室內(nèi)溫度系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由ZigBee模塊與WI-FI模塊集成構(gòu)成智能網(wǎng)關(guān)，ZigBee模塊與溫度傳感器集成構(gòu)成溫度感知器、ZigBee模塊與紅外學(xué)習(xí)模塊構(gòu)成溫度控制器。智能網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)感知指定區(qū)域內(nèi)是否存在合法手機(jī)用戶，如果存在合法手機(jī)用戶，則向溫度感知器下達(dá)溫度檢測(cè)指令，然后接收并分析來自溫度感知器傳來的實(shí)時(shí)溫度，最后根據(jù)分析結(jié)果決策是否向溫度控制器下達(dá)溫度控制命令。溫度感知器只負(fù)責(zé)感知環(huán)境溫度并將結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給智能網(wǎng)關(guān)做分析處理。溫度控制器接收到智能網(wǎng)關(guān)調(diào)控溫度指令后，通過紅外學(xué)習(xí)模塊向空調(diào)發(fā)送紅外指令實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制。

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)在第一節(jié)、軟硬件設(shè)計(jì)在第二、三節(jié)描述，第四節(jié)是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為三大部分：智能網(wǎng)關(guān)，溫度感知器、溫度控制器，三部分基于Zigbee技術(shù)，通過IEEE 802.15.4通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互鏈接，智能網(wǎng)關(guān)通過WI-FI探測(cè)手機(jī)信號(hào)的存在，溫度控制器通過集成在控制器上的紅外學(xué)習(xí)模塊發(fā)送紅外信號(hào)控制空調(diào)調(diào)節(jié)溫度。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

如圖1所示，其中智能網(wǎng)關(guān)主要由ZigBee模塊、WI-FI模塊集成，負(fù)責(zé)探測(cè)指定范圍內(nèi)是否存在合法手機(jī)，如存在，則對(duì)溫度感知器發(fā)送檢測(cè)溫度指令，并及時(shí)回傳來自溫度感知器的實(shí)時(shí)溫度，分析處理后決定是否向溫度控制器下達(dá)溫度調(diào)節(jié)指令。

溫度感知器主要由ZigBee模塊和DS18B20溫度傳感器組成，負(fù)責(zé)獲取周邊溫度數(shù)據(jù)并傳送給智能網(wǎng)關(guān)處理。

溫度控制器主要由ZigBee模塊和紅外模塊組成，負(fù)責(zé)接收網(wǎng)關(guān)調(diào)控溫度的指令，并發(fā)射紅外信號(hào)對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的核心，主要由ZigBee模塊和WI-FI模塊構(gòu)成。本設(shè)計(jì)采用以CC2530為核的ZigBee模塊，WI-FI模塊采用海凌科電子生產(chǎn)的低成本、高性能、嵌入式HLK-RMO4模塊。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2530是TI公司推出的基于IEEE 802.15.4協(xié)議的一個(gè)真正片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧[4]，該芯片有三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線，以單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。CC2530包括許多諸如調(diào)試接口、I/O控制器、定時(shí)器、ADC等不同外設(shè)，使得設(shè)計(jì)者可開發(fā)更先進(jìn)的應(yīng)用。CC2530設(shè)備系列提供2.4 GHz 兼容增強(qiáng)的無線收發(fā)器[5]-[6]，另外還提供了MCU和無線設(shè)備之間的一個(gè)接口，這使得可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動(dòng)操作和確定無線設(shè)備事件的順序。

HLK-RMO4模塊基于通用串行接口的、符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WI-FI）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。

2.2　溫度感知器硬件設(shè)計(jì)

溫度感知器由ZigBee模塊和DS18B20溫度傳感器組成，如圖3所示?；贑C2530芯片的ZigBee無線模塊，溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20無線溫度傳感器。DS18B20傳感器是一款智能數(shù)字溫度傳感器，具有優(yōu)良的性能，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20傳感器能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。同時(shí)，DS18B20傳感器可以在極短時(shí)間內(nèi)讀出溫度數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線[7]-[8]。

圖3　溫度感知器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3　溫度控制器硬件設(shè)計(jì)

紅外控制器由ZigBee模塊和萬能學(xué)習(xí)型紅外模塊組成，如圖4所示。

圖4　溫度控制器結(jié)構(gòu)圖

其中ZigBee模塊依然采用以CC2530為核心，學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射模塊主要由MCU、紅外編解碼、紅外發(fā)射、學(xué)習(xí)指示燈、發(fā)射指示燈、串口通信組成，采用NEC紅外協(xié)議[9]控制家用空調(diào)相應(yīng)部件。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括智能網(wǎng)關(guān)、溫度感知器和溫度控制器三大部分，其軟件部分分別設(shè)計(jì)如下：

3.1　智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)控制中心，它承載著探測(cè)指定區(qū)域內(nèi)是否存在合法手機(jī)用戶，同時(shí)負(fù)責(zé)向溫度感知器、溫度控制器下達(dá)相應(yīng)指令的任務(wù)，其功能實(shí)施步驟如下：

（1）由WI-FI模塊探測(cè)指定區(qū)域內(nèi)是否存在合法手機(jī)用戶；

（2）如果指定區(qū)域內(nèi)存在合法手機(jī)用戶，則轉(zhuǎn)3），否則轉(zhuǎn)1）；

（3）由ZigBee模塊向溫度感知器下達(dá)檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度指令；

圖5　智能網(wǎng)關(guān)控制程序流程圖

（4）等待回收來自溫度感知器回傳的實(shí)時(shí)溫度C；

（5）如果C大于調(diào)控上限sup，則向溫度控制器下達(dá)制冷指令及目標(biāo)溫度C1，

如果C小于調(diào)控下限inf ，則向溫度控制器下達(dá)制熱指令及目標(biāo)溫度C2；

（6）轉(zhuǎn)（1）。

其程序流程圖如圖5所示。

其中用于探測(cè)指定區(qū)域內(nèi)是否存在合法手機(jī)用戶的定位系統(tǒng)，采用百度地圖Android定位SDK，它是為Android移動(dòng)端應(yīng)用提供的一套簡(jiǎn)單易用的LBS定位服務(wù)接口，專注于為廣大開發(fā)者提供最好的綜合定位服務(wù)，通過使用百度定位SDK，開發(fā)者可以輕松為應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)智能、精準(zhǔn)、高效的定位功能[10]。該定位SDK采用WI-FI、基站、GPS混合定位（默認(rèn)GPS定位），返回百度坐標(biāo)，并能正確地顯示在百度坐標(biāo)系的地圖上，其中WI-FI定位精度為27m，基站定位為240m，而GPS定位的精度最高可達(dá)10m。

本設(shè)計(jì)通過在自主開發(fā)的手機(jī)監(jiān)控軟件中預(yù)先設(shè)置智能網(wǎng)關(guān)的經(jīng)緯度，然后通過定位SDK，周期獲得自身經(jīng)緯度，通過計(jì)算即可獲得二者之間的實(shí)時(shí)距離S。一旦手機(jī)進(jìn)入WI-FI有效連接距離，即可將S值通過socket通信傳給智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行判斷。本設(shè)計(jì)中設(shè)置的啟/閉距離a為15米，當(dāng)智能網(wǎng)關(guān)接收到S小于等于15米時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作；當(dāng)S大于15米時(shí)，若規(guī)定時(shí)間內(nèi)無連接請(qǐng)求，智能網(wǎng)關(guān)即刻關(guān)閉系統(tǒng)。

以下為實(shí)現(xiàn)距離S計(jì)算的核心代碼：

3.2　溫度感知器軟件設(shè)計(jì)

溫度感知器由ZigBee模塊（為區(qū)別起見，稱為Collect.ZigBee模塊）和溫度傳感器(型號(hào)為DS18B20)模塊集成，功能實(shí)施步驟如下：

（1）Collect.ZigBee模塊接收來自智能網(wǎng)關(guān)中Gateway.ZigBee模塊的溫度檢測(cè)指令；

（2）將溫度測(cè)試指令傳送給溫度傳感器；

（3）溫度傳感器接到測(cè)試指令后，感應(yīng)環(huán)境溫度，獲得模擬溫度數(shù)據(jù)，并將其回傳給Collect.ZigBee模塊；

（4）Collect.ZigBee將模擬量溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量溫度數(shù)據(jù)；

（5）Collect.ZigBee將實(shí)時(shí)的數(shù)字量溫度數(shù)據(jù)回傳給Gateway.ZigBee模塊。

圖6　溫度檢測(cè)模塊程序流程圖

其程序流程圖如圖6所示。

3.3　溫度控制器軟件設(shè)計(jì)

溫度控制器由ZigBee模塊（為區(qū)別起見，稱為Control.ZigBee模塊）和紅外學(xué)習(xí)模塊集成，步驟如下：

（1）Control.ZigBee接收來自智能網(wǎng)關(guān)Gateway.ZigBee模塊的調(diào)控溫度指令及目標(biāo)溫度；

（2） 如果是制冷指令，則Control.ZigBee將制冷指令及目標(biāo)溫度傳送給紅外學(xué)習(xí)模塊，進(jìn)一步傳送給家用空調(diào)，啟動(dòng)制冷模式，并設(shè)置目標(biāo)溫度；

否則Control.ZigBee將制熱指令及目標(biāo)溫度傳送給紅外學(xué)習(xí)模塊，進(jìn)一步傳送給家用空調(diào)，啟動(dòng)制熱模式，并設(shè)置目標(biāo)溫度；

其程序流程圖如圖7所示。

圖7　溫度控制模塊程序流程圖

4　系統(tǒng)功能驗(yàn)證

4.1　硬件準(zhǔn)備

（1）ZigBee模塊及射頻天線各3個(gè)，DS18B20溫度傳感器1個(gè)，萬能學(xué)習(xí)型紅外模塊1個(gè)，WI-FI模塊1個(gè)；

（2）型號(hào)為KFR-50LW/K(50520L)A-N2格力藍(lán)精靈系列立式空調(diào)1臺(tái)，配套遙控器1個(gè)；

（3）小米1S手機(jī)，系統(tǒng)版本為Android 4.0.4；

（4）PC機(jī)1臺(tái)。

4.2　軟件開發(fā)環(huán)境

（1）64位Windows 7；

（2）IAR編譯器：IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation；

（3）ZigBee協(xié)議棧：ZStack-CC2530-2.5.1a（ZigBee 2007）；

（4）電腦端軟件開發(fā)環(huán)境為Eclipse 4.2、JDK 1.8.0_25，手機(jī)端運(yùn)行環(huán)境為：Android 4.2.2(API17)、ADT 23.0.2.1259578、Android定位SDK v5.1。

4.3　功能驗(yàn)證

圖8　手機(jī)APP軟件界面截屏

在本系統(tǒng)通過開發(fā)手機(jī)端APP軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)全自動(dòng)控制功能，界面截圖如圖8所示。

（1）進(jìn)入APP軟件 “學(xué)習(xí)空調(diào)命令”界面，選中空調(diào)狀態(tài)“開”，此時(shí)紅外模塊指示燈長(zhǎng)亮，在此過程中，按下被學(xué)習(xí)的格力遙控器的“開”鍵，看到燈閃爍5次，表示學(xué)習(xí)成功。重復(fù)以上過程，依次學(xué)習(xí)“關(guān)”、“制暖模式”、“制冷模式”、“除濕模式”、“通風(fēng)模式”、“自動(dòng)模式”、“溫度 +”、“溫度 -”等按鍵。

（2）所有按鍵學(xué)習(xí)完畢后，在智能網(wǎng)關(guān)代碼中設(shè)置調(diào)控下限溫度為13度、調(diào)控上限溫度為30度，目標(biāo)溫度為25度，預(yù)設(shè)觸發(fā)/關(guān)閉系統(tǒng)的距離為15米，然后燒寫進(jìn)智能網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)組建成功后，將空調(diào)設(shè)置為18度后關(guān)閉空調(diào)，打開手機(jī)監(jiān)控軟件，在手機(jī)監(jiān)控軟件中預(yù)先設(shè)置智能網(wǎng)關(guān)的經(jīng)緯度，點(diǎn)擊APP軟件中“開始定位”。

（3）對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行驗(yàn)證。標(biāo)記距離智能網(wǎng)關(guān)15米的參考標(biāo)志，然后在距離智能網(wǎng)關(guān)40米遠(yuǎn)的地方，手持手機(jī)往15米處的參考標(biāo)志點(diǎn)靠近，直到越過標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)入測(cè)試環(huán)境。

測(cè)試結(jié)果：在距離網(wǎng)關(guān)約20米處，手機(jī)監(jiān)控APP軟件中溫度數(shù)據(jù)開始跳動(dòng)刷新為16度，進(jìn)入測(cè)試環(huán)境后空調(diào)已開啟并被調(diào)節(jié)至25度；逆過程測(cè)試時(shí)，在距離測(cè)試環(huán)境約25米處，APP軟件中溫度數(shù)值消失，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，說明手機(jī)APP軟件與智能網(wǎng)關(guān)連通正常，且系統(tǒng)能準(zhǔn)確進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)及對(duì)空調(diào)的相應(yīng)控制。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的百度地圖Android定位SDK提供GPS定位功能存在10米左右的誤差，實(shí)驗(yàn)中誤差屬正常，但卻實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提前開啟、延遲關(guān)閉監(jiān)控系統(tǒng)的目的。另外，在測(cè)試環(huán)境內(nèi)，依次點(diǎn)擊“開”、“制暖模式”、“制冷模式”、“除濕模式”、“通風(fēng)模式”、“自動(dòng)模式”、“溫度 +”、“溫度 -”、“關(guān)”等按鍵，空調(diào)都可實(shí)現(xiàn)正確響應(yīng)，由此表明紅外學(xué)習(xí)指令準(zhǔn)確。

4.4　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確學(xué)習(xí)空調(diào)遙控器紅外信號(hào)，Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)迅速，結(jié)合開發(fā)的手機(jī)端APP軟件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)家居溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)、空調(diào)自動(dòng)控制的同時(shí)，又能通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的各種控制。本系統(tǒng)各性能指標(biāo)達(dá)到前期設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)的合理性。

5　結(jié)語

基于ZigBee技術(shù)，通過IEEE 802.15.4通信協(xié)議將WI-FI模塊、溫度傳感器、紅外學(xué)習(xí)模塊鏈接形成以智能網(wǎng)關(guān)為控制中心的無線通信網(wǎng)絡(luò)，WI-FI模塊負(fù)責(zé)與手機(jī)通訊，紅外模塊與家用空調(diào)通訊，通過相應(yīng)軟件驅(qū)動(dòng)各硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度全自動(dòng)智能檢測(cè)與調(diào)控。與傳統(tǒng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)不僅脫離計(jì)算機(jī)控制也可以脫離手機(jī)客戶端控制，實(shí)現(xiàn)由手機(jī)WI-FI信號(hào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無需人工參與，從而對(duì)指定環(huán)境中溫度的檢測(cè)與控制。

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