基于ZigBee的智能家居環(huán)境舒適度控制系統(tǒng)

李洪璠 劉柏峰 薛志興

摘? 要：利用短距離無線通信技術(shù)ZigBee，以S3C2410微處理器作為核心主控制器搭建一個智能家居系統(tǒng)。主控制器在智能家居系統(tǒng)中充當(dāng)著一個強大功能的家庭網(wǎng)管的角色，以CC2430芯片作為無線收發(fā)模塊，通過一臺PC機接入Internet，實現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度，光線亮度及空氣清潔度等控制。智能家居系統(tǒng)移動性好，省去大量的電纜連線，擴容便捷，提高了室內(nèi)環(huán)境舒適度。

關(guān)鍵詞：智能家居;環(huán)境舒適度;ZigBee

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）05-0033-02

1 概述

在信息時代下，生活方式的不斷變革，安全而又舒適的家居環(huán)境越來越受到人們的關(guān)注，信息與家居的結(jié)合正是智能家居，智能家居的出現(xiàn)，使人們對家居環(huán)境舒適度的要求越來越高。本文設(shè)計的智能家居目的在于提供一個舒適的智能家居環(huán)境，利用智能家居網(wǎng)絡(luò)控制室內(nèi)溫濕度、光照度及空氣的清潔度。即對家居環(huán)境進行精密的智能監(jiān)測與控制，使人們的家居環(huán)境變得更加信息化和智能化。

2 系統(tǒng)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)由主機（主控制器）和單機（終端節(jié)點）兩部分構(gòu)成，兩者分工明確，主機主要負責(zé)進行數(shù)據(jù)運算和給出邏輯命令[1];單機主要負責(zé)進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸以及邏輯命令的執(zhí)行。

2.1 主控制器設(shè)計

主控制器是整個智能家居系統(tǒng)的核心，它通過無線收發(fā)模塊CC2430ZigBee與智能家居中的溫濕度終端節(jié)點、光照終端節(jié)點、空氣清潔度終端節(jié)點共同組網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)匯集，通過接入 Internet 建立外部通信，實現(xiàn)室內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)化的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能。主控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

結(jié)構(gòu)框圖中對自身沒有以太網(wǎng)接口的S3C2410微處理器，需要在以太網(wǎng)芯片CS8900 連接到處理器的總線的情況下才能完成。要完成對ZigBee終端節(jié)點的終端設(shè)備的操作就要在智能家居主控制器上架設(shè)Web服務(wù)器，利用CGI接口調(diào)用后臺CGI程序，連接Web服務(wù)器與具體的控制程序[2]。把主控制器接入外網(wǎng)，通過一臺接有Internet的PC機，輸入主控制器的網(wǎng)址，即可實現(xiàn)遠程對各個終端設(shè)備的運行情況進行監(jiān)控。

2.2 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點設(shè)計主要分溫濕度控制節(jié)點、光線控制節(jié)點、光線控制節(jié)點三部分，可以實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度、光線和空氣清潔度等環(huán)境舒適度控制。下圖2所示ZigBee 終端節(jié)點是由無線通信模塊、處理器模塊、電源模塊、傳感器等幾個部分構(gòu)成。電源控制模塊是ZigBee終端模塊運行必不可少的，為系統(tǒng)提供合適的能量。室內(nèi)安裝的光照傳感器、溫濕度傳感器和氣體傳感器采集的光線、溫濕度、空氣質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過CC2430中無線通信模塊終端節(jié)點把數(shù)據(jù)傳送給主控制器，同時接收主控制器發(fā)出的控制命令，對受控設(shè)備空調(diào)（風(fēng)扇）、窗簾、換氣設(shè)備進行控制和調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 溫濕度硬件電路設(shè)計

溫度和濕度是居室生活舒適度最基本要求，溫濕度硬件電路主要由無線收發(fā)模塊CC2430，溫濕度傳感器，紅外發(fā)射模塊，電源模塊和調(diào)試接口五大部分構(gòu)成。溫濕度控制過程即通過溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫度、濕度數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，主控制器把接收的數(shù)據(jù)進行比較和分析，用分析和比較的結(jié)果去控制傳輸量，對溫度和濕度的控制節(jié)點加以控制，通過紅外發(fā)射模塊控制節(jié)點的空調(diào)設(shè)備的控制命令來設(shè)定溫度，加熱，加濕，除濕等功能，進而對室內(nèi)的溫度和濕度進行有效地控制。

3.2 光線控制硬件電路設(shè)計

室內(nèi)的光線主要來自自然光與燈光。智能家居燈光控制自然光的合理利用十分重要，通過在自然光線的采集方法打開窗簾的情況下達到室內(nèi)照明的要求，啟動燈光控制。

燈光控制系統(tǒng)在本設(shè)計中是在自動模式下工作，根據(jù)設(shè)定的各種普通場景的時間發(fā)送給主控制器，根據(jù)一天內(nèi)不同時間段光線強度不同，系統(tǒng)將自動切換到現(xiàn)場，控制相應(yīng)的場景。利用室內(nèi)移動探測器，以檢測室內(nèi)照明光傳感器是否收集數(shù)據(jù)，光照明控制節(jié)點數(shù)據(jù)和移動檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居的主控制器，通過無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)窗簾緊閉程度和室內(nèi)光線對應(yīng)的光發(fā)送命令的主要控制，提出了一種柔軟，舒適的照明場景，使用戶可以很好的放松和休息。在晚上，窗簾自動關(guān)閉命令控制發(fā)送數(shù)據(jù)，照明和運動檢測數(shù)據(jù)，智能家居系統(tǒng)反饋給主控制器，通過移動探頭數(shù)據(jù)來確定是否是室內(nèi)的主控制器，然后發(fā)送一個調(diào)光命令的節(jié)點，它可以自動提供室內(nèi)光線充足，無人值守?zé)糇詣雨P(guān)閉。每一個不同的場景默認燈光設(shè)置，用戶還能夠利用改變自己的設(shè)置手動控制開關(guān)來來實現(xiàn)客戶可能想要照亮的場景。

整個系統(tǒng)是根據(jù)客戶的需要進行個性化的設(shè)計，還能夠根據(jù)喜好進行調(diào)整。自動關(guān)燈的無人區(qū)通過自然光的合理使用，同時達到節(jié)能的作用。

3.3 空氣清潔度控制硬件電路設(shè)計

設(shè)計的空氣清潔度控制系統(tǒng)，是把室內(nèi)的空氣清潔度作為一個整體。在室內(nèi)安裝的氣體傳感器，把采集室內(nèi)的氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳送給CC2430，進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過終端節(jié)點把空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)送到主控制器。主控制器對終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和合格的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行比較和分析后，建立了接收數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令，控制節(jié)點的空氣清新度，節(jié)點通過打開或關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，調(diào)整室內(nèi)空氣清新度。不會對用戶的生活環(huán)境中自動通風(fēng)產(chǎn)生不利的影響，充分清潔室內(nèi)的空氣，在任何時間，客戶的室內(nèi)空氣是衛(wèi)生的，新鮮的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是實現(xiàn)主控制器和以太網(wǎng)通信、ZigBee協(xié)調(diào)器和各個終端節(jié)點通信、節(jié)點控制設(shè)備三大功能。下面僅給出主控制器和終端節(jié)點軟件設(shè)計過程。

4.1 主控制器軟件設(shè)計思路

設(shè)計主控制器的軟件是在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的， ZigBee協(xié)議棧，Web服務(wù)器，應(yīng)用程序都應(yīng)該是包含在內(nèi)的。在還沒有開發(fā)平臺的Linux操作系統(tǒng)的時候，最先要負責(zé)引導(dǎo)程序Bootloader。Bootloader是在操作程序執(zhí)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核的一小部分，選擇VIVI Bootloader，VIVI源代碼經(jīng)過編譯環(huán)境生成的二進制圖像文件，刻錄到Flash開發(fā)平臺通過JTAG。Linux操作系統(tǒng)，包括Linux內(nèi)核的移植和文件系統(tǒng)的移植，Linux內(nèi)核的移植來自維持。該應(yīng)用程序是基于CGI技術(shù)，Web服務(wù)器可執(zhí)行程序。主制器的應(yīng)用程序（CGI程序）可以通過系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議驅(qū)動程序服務(wù)訪問[2]。

4.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計思路

設(shè)計終端節(jié)點的軟件采用模塊化設(shè)計。各功能節(jié)點之間是相互獨立的，互不干擾，同時，溫濕度節(jié)點、光照節(jié)點、空氣清新度節(jié)點都由主控制器控制，且進行數(shù)據(jù)傳輸，要是兩個節(jié)點進行通信，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器，對彼此的主機控制器轉(zhuǎn)發(fā)。各功能節(jié)點的具體設(shè)計的過程是，通過PC機編寫程序，修改源代碼，借助IAR軟件協(xié)議棧，編譯和鏈接，生成二進制文件，利用燒寫工具把程序?qū)懙侥繕税宓亩M制文件，編寫相應(yīng)的函數(shù)節(jié)點[2]。每個功能節(jié)點程序?qū)崿F(xiàn)之后，再通過主控制器的控制，對每個節(jié)點的控制相應(yīng)的功能就實現(xiàn)了。

5 結(jié)束語

由主控制器和終端節(jié)點組成的環(huán)境舒適度控制系統(tǒng)利用ZigBee無線通信模塊對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行讀取，通過智能家居無線網(wǎng)絡(luò)與主控制器模塊進行無線通信[3]，把數(shù)據(jù)傳送給主控制器，并接收主控制器的控制命令，實現(xiàn)對室內(nèi)光照度、溫濕度、空氣清潔度的控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好、能有效改善家居環(huán)境的舒適性。

參考文獻：

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