基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)

文/彭銀橋 吳吉

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們生活水平不斷提高，智能家居將成為人們生活方式的一種必然趨勢。智能家居的網(wǎng)絡(luò)化、互聯(lián)化，智能化，不僅為人們提供安全、方便和舒適的生活環(huán)境，而且能隨時隨地監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設(shè)備。智能家居采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決了有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩、使用過多電纜及擴(kuò)展性差等問題，提高了安全性，降低了成本。本文設(shè)計了一種基于STM32上位機(jī)、ZigBee無線通信及紅外遙控通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了遙控家電設(shè)備等智能家居的基本功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)總體功能如圖1所示，用戶通過遙控器選擇不同的節(jié)點，被選中的節(jié)點led燈亮，以提示用戶該節(jié)點為當(dāng)前被選中的節(jié)點，用戶可以按下遙控器不同的按鍵，對連接在該節(jié)點上的設(shè)備進(jìn)行需要的操作。用戶可以通過遙控器調(diào)節(jié)照明燈的亮度、打開或關(guān)閉風(fēng)扇以及打開或者關(guān)閉窗簾。一個遙控器可以同時控制不同的節(jié)點；一個節(jié)點可以同時連接不同的設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)工作原理框架

系統(tǒng)工作原理框架如圖2所示，系統(tǒng)主要由STM32上位機(jī)和遙控器、Zigbee協(xié)調(diào)器以及節(jié)點和設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)初始化時，ZigBee協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后，會把自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收并保存全部節(jié)點的地址，以備之后解析地址。用戶用遙控器通過紅外接頭和STM32通信，STM32接收用戶命令，通過串口把要操作的節(jié)點和命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收消息后，判斷用戶是切換節(jié)點還是操作當(dāng)前節(jié)點，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對應(yīng)的節(jié)點，節(jié)點接收消息并解析消息，從而控制相應(yīng)的設(shè)備。

圖1：系統(tǒng)功能

圖2：系統(tǒng)工作原理框架圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件組成框圖

系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，其中STM32上位機(jī)電路由STM32F103CBT6芯片、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路和外圍的紅外接收模塊組成；協(xié)調(diào)器由cc2530芯片、晶振電路、復(fù)位電路、射頻電路組成；節(jié)點和設(shè)備通過繼電器、步進(jìn)電機(jī)組成第三部分電路。

3.2 HS0038紅外接收模塊

紅外接收頭采用HS0038紅外接收探頭，紅外通信使用950納米的紅外線作為無線傳輸通道，進(jìn)行調(diào)試和解調(diào)。紅外通信一般有發(fā)送端和接收端。發(fā)送端把需要發(fā)送的數(shù)字信號作為基帶信號，按照采用脈沖位置（PPM）的方法，來調(diào)制按照數(shù)字信號發(fā)生變換的載波，最后通過發(fā)送端把載波轉(zhuǎn)換為紅外線，發(fā)送出去。接收端的接收二極管接收到信號，經(jīng)過放大、濾波，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給解調(diào)器，解調(diào)器也采用PPM方式，還原出原始的數(shù)字信號。

3.3 STM32最小系統(tǒng)

STM32的最小系統(tǒng)如圖 4所示。晶振電路能夠為最小系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的8MHz的外部時鐘源；電源電路能夠?qū)⑼獠康?V電壓轉(zhuǎn)換為3.3v的芯片工作電壓；復(fù)位電路提供用戶復(fù)位系統(tǒng)；紅外模塊負(fù)責(zé)接收用戶用遙控器發(fā)來的信號，調(diào)制并換成數(shù)字信號，發(fā)送給STM32F103芯片進(jìn)行處理；STM32F103作為最小系統(tǒng)的核心，能夠解析信號，并通過串口發(fā)送信號給協(xié)調(diào)器。

3.4 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee是基于IEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無線通信技術(shù)，適用于短距離、低功耗的自動控制領(lǐng)域。ZigBee協(xié)調(diào)器能夠組建一個智能家居內(nèi)部局域網(wǎng)，以便各個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。同時又起到承上啟下的作用，負(fù)責(zé)接收STM32通過串口傳來的消息，并將消息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的節(jié)點，實現(xiàn)用戶所希望的無線控制設(shè)備。系統(tǒng)選用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee協(xié)調(diào)器的CPU。CC2530是廣泛應(yīng)用于2.4G片上系統(tǒng)解決方案，具有優(yōu)秀的接收器靈敏度和強(qiáng)干擾性，以及較低的成本。

圖3：系統(tǒng)硬件組成框圖

圖4：STM32最小系統(tǒng)電路框圖

圖5：節(jié)點窗簾電路

圖6：系統(tǒng)主程序流程圖

圖7：STM32程序流程圖

圖8：ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖9：ZigBee節(jié)點程序流程圖

3.5 ZigBee節(jié)點電路

ZigBee節(jié)點電路包括風(fēng)扇電路、調(diào)光電路和窗簾電路。風(fēng)扇的繼電器驅(qū)動電路和照明燈的調(diào)光電路相對比較簡單，本文不給出。窗簾電路主要由ULN2003的驅(qū)動板和4相5線的步進(jìn)電機(jī)組成，ULN2003驅(qū)動板主要作用是為電機(jī)放大電流，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作于單相八拍模式時，步進(jìn)角度為5.625o，由于步進(jìn)電機(jī)的減速比為1：64，因此步進(jìn)電機(jī)的真正步進(jìn)角度為5.625/64。需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，通過計算把周期數(shù)換成節(jié)拍數(shù)，實現(xiàn)想要控制步進(jìn)電機(jī)所需要旋轉(zhuǎn)的周數(shù)。窗簾電路如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)STM32上位機(jī)和紅外遙控的通信，協(xié)調(diào)器和節(jié)點的通信、節(jié)點控制設(shè)備三大功能。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，在系統(tǒng)初始化時，先由協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的地址，協(xié)調(diào)器收到節(jié)點地址，并保存節(jié)點地址。系統(tǒng)初始化完后，用戶按下要控制的節(jié)點按鍵，STM32通過HS0038接頭接收到信號，并通過串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，分配要發(fā)送消息節(jié)點的地址和信號，并向節(jié)點發(fā)送消息。對應(yīng)的節(jié)點接收到消息后，判斷消息類型，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制對應(yīng)的設(shè)備。

4.1 STM32上位機(jī)模塊軟件設(shè)計

STM32上位機(jī)模塊主要實現(xiàn)判斷信號、設(shè)置要發(fā)送的串口數(shù)據(jù)和向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)功能。STM32程序流程如圖7所示，STM32通過HS0038接收頭接收到用戶從遙控器發(fā)來的信號，STM32判斷接收的信號是切換當(dāng)前節(jié)點，還是只是操作命令，然后設(shè)置要控制的節(jié)點（node）和要操作的命令（cmd），通過串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送node和cmd。

圖7中，STM32接收信號是通過定時器捕獲中斷來識別。具體如下，STM32初始化時，設(shè)置紅外接收引腳為上邊沿捕獲，當(dāng)紅外接頭接收到紅外信號時，通過信號輸出腳向STM32輸出高電平，STM32通過邊沿捕獲進(jìn)入中斷，進(jìn)入中斷后，設(shè)置捕獲引腳為下邊沿捕獲，并清定時器，接收到低電平時，即信號結(jié)束，STM32捕獲到下邊沿，再次進(jìn)入中斷，讀取定時器的計數(shù)值，并根據(jù)定時器的頻率計算出高電平的時間，最后將得到的高電平時間進(jìn)行解碼，得到按鍵值返回給主函數(shù)，進(jìn)入到鍵值的判斷信號過程。

4.2 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器程序主要實現(xiàn)接收STM32數(shù)據(jù)、解析節(jié)點地址和命令和向相應(yīng)的節(jié)點發(fā)送操作消息功能。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖8所示，協(xié)調(diào)器串口接收到STM32發(fā)來的消息后，判斷消息是切換當(dāng)前被選中節(jié)點，還是直接操作命令。如果是切換當(dāng)前節(jié)點，協(xié)調(diào)器向上個節(jié)點發(fā)送關(guān)閉led燈消息，并關(guān)閉上個節(jié)點的led燈，之后向要選中的節(jié)點發(fā)送點亮led燈消息；如果是直接操作命令，協(xié)調(diào)器向當(dāng)前被選中的節(jié)點發(fā)送對應(yīng)的消息。

4.3 ZigBee節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee節(jié)點程序主要實現(xiàn)接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的消息和控制相應(yīng)設(shè)備功能。ZigBee節(jié)點程序流程如圖9所示，節(jié)點接收到消息后，判斷是操作照明燈、風(fēng)扇還是窗簾，最后控制設(shè)備。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行了測試,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,對照明燈的亮度調(diào)節(jié)及風(fēng)扇和窗簾的開關(guān)控制準(zhǔn)確。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、擴(kuò)展方便、成本低廉,適合一般家庭使用,具有較高的推廣價值。

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