采用ZigBee技術(shù)設(shè)計無線智能空調(diào)控制系統(tǒng)外圍電路

基于Zigbee通信協(xié)議，設(shè)計了一種智能空調(diào)控制系統(tǒng)的外圍電路。系統(tǒng)以CC2530模塊為核心配置，采用DS18B20溫度傳感器、Nokia5110液晶及計算機監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過上位機、單片機與傳感器三者相連，采集、存儲并控制系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的遠程控制。深入研究了PCB內(nèi)部天線增強系統(tǒng)抗干擾能力的設(shè)計。

設(shè)計的無線智能空調(diào)系統(tǒng)，可以有效的遠程實時監(jiān)測、控制室內(nèi)溫度。

當今社會，人們對生活品質(zhì)要求越來越高，而傳統(tǒng)的家電已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此智能家理念電悄然興起。智能家電是指將微電腦和通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器中，使之智能化并具有網(wǎng)絡終端功能，可以隨時隨地地獲取與處理信息的消費電子產(chǎn)品，其重要的特征是通過Internet傳遞數(shù)字信息?；诖?，設(shè)計了一種基于ZigBee通信協(xié)議的智能空調(diào)控制系統(tǒng)的外圍電路。結(jié)合原空調(diào)控制系統(tǒng)，可以遠程實時監(jiān)測、控制空調(diào)的運行。

1 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢

二十一世紀以來，比較流行的無線局域網(wǎng)通信分別有WIFI、Bluetooth、ZigBee，但是藍牙的傳輸距離短，WIFI的成本大、功耗高，而ZigBee低成本、低功耗、低復雜度的優(yōu)勢適合應用在短距離、傳輸信息少的無線控制系統(tǒng)中，更符合無線智能家電物美價廉、節(jié)能減排的綠色理念。因此，基于ZigBee通信協(xié)議的智能家電控制系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。

2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一組被稱為層的模塊組成。下面的一層為上面的一層執(zhí)行特定的服務，即數(shù)據(jù)實體提供了數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供了所有其它的服務。上層由服務實體通過服務接入點提供一個接口。物理層和媒體介質(zhì)訪問層由IEEE802.15.4協(xié)議標準制定，網(wǎng)絡層和應用層由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數(shù)據(jù)連接，MAC層控制數(shù)據(jù)包的物理尋址，網(wǎng)絡層是確定網(wǎng)絡傳輸路徑，應用層為應用程序服務。每層機構(gòu)通過數(shù)據(jù)服務接口和管理服務接口進行相鄰層之間的通信。

3 PCB內(nèi)部天線的設(shè)計

使用PCB內(nèi)部天線時，為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，需要設(shè)計精準的天線長度。由CC2530芯片可以知道，系統(tǒng)的頻率f為2.4 GHz，光的傳播速度C0為3×108m/s，可計算真空中的波長，如公式（1）所示：

λ=C0/f （1）

當電磁波在其他介質(zhì)中進行傳播時，可根據(jù)介質(zhì)與真空的介電常數(shù)計算在介質(zhì)中的傳播速度，如公式（2）所示：

由于在制作PCB板子時，介電常數(shù)還會受到PCB板子厚度h以及線寬w的影響，因此有效介電常數(shù)εoff如公式（3）所示：

設(shè)計的PCB板子的材料是FR4，該板子的介電常數(shù)為4.2，板子的厚度為1.6 mm，天線寬度為1 mm，計算出有效值為2.965，電磁波在板子中的波長為72.594 mm，因此PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計為36.33 mm。

4 整體電路的系統(tǒng)設(shè)計

一個完整的ZigBee智能空調(diào)系統(tǒng)需要一個協(xié)調(diào)器，一個或多個路由器及許多個終端節(jié)點組成，這樣才能完成網(wǎng)絡的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)采集及傳輸任務?；赯igBee協(xié)議設(shè)計的外圍電路，系統(tǒng)框圖如圖1所示，無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的結(jié)構(gòu)是星狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由一個全功能協(xié)調(diào)器（采集模塊），一個LCD液晶及溫度傳感器的測溫節(jié)點作為終端節(jié)點（傳感模塊）組成。

采集模塊通過串口與PC機相連，傳感器模塊被布置在家中的空調(diào)上，通過溫度傳感器DS18B20實時監(jiān)測室內(nèi)溫度，然后溫度數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給采集模塊，通過串口通信傳遞到上位機，家庭成員通過Internet遠程查看溫度;也可以遠程設(shè)定空調(diào)溫度，即通過上位機進行溫度數(shù)據(jù)的設(shè)定，進而反向傳輸?shù)絺鞲心K的LCD液晶上顯示。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件電路主要由傳感模塊、采集模塊和電源模塊組成。

5.1 通信模塊的選擇

設(shè)計過程中為了增加中心節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲和處理的能力，選用了帶有256 K Flash和標準8051增強型處理器的CC2530作為核心模塊。

CC2530模塊是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz無線射頻單片機，該款模塊能滿足Z—Stack運行內(nèi)存容量的要求;支持2.0～3.6 V供電電壓，具有3種電源管理模式：喚醒模式、睡眠模式、終端模式;傳輸距離大于75 m，最高傳輸速率250 kbps，非常適合應用在智能空調(diào)上?；贑C2530模塊最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

5.2 采集模塊的硬件設(shè)計

采集模塊主要負責建立、管理和維護網(wǎng)絡。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉(zhuǎn)換電路、電源電路、串口、復位鍵、指示燈以及天線組成。由于CC2530模塊的工作電壓是3.3 V，所以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片REG1117把5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。指示燈是用來表示采集模塊是否成功建立網(wǎng)絡等狀態(tài)信息。采集模塊通過點播的形式發(fā)送控制指令給傳感模塊，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式最多用5字節(jié)表示。

5.3 傳感模塊的硬件設(shè)計

傳感模塊是智能空調(diào)控制系統(tǒng)的終端節(jié)點。傳感模塊除了包含有采集模塊組成部分外，還具有溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示部分。傳感模塊需要一個串口線即可實現(xiàn)DS 18B20溫度傳感器和PC機的雙向通信。

當溫度傳感器檢測到溫度時，CC2530對數(shù)據(jù)進行處理，為傳輸數(shù)據(jù)做好準備，通過LCD顯示出來并發(fā)送給采集模塊。上位機設(shè)定溫度后，通過采集模塊反向傳給傳感模塊并在LCD上顯示。當傳輸或接受完畢后，傳感模塊進入休眠模式，使控制器進入低功率模式來延長電池壽命。

5.4 電源電路設(shè)計

電源電路為智能空調(diào)系統(tǒng)的其他功能模塊供電，保證模塊的正常工作。模塊中，下載設(shè)備和調(diào)試設(shè)備需要5 V供電，芯片CC2530需要3.3 V供電，因此采用電壓轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換。為了充分滿足不同工作環(huán)境，系統(tǒng)采用3種供電方式：電池供電、USB供電、穩(wěn)壓電源直流供電。

6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench ForC8051，在此環(huán)境下完成對CC2530程序的編程、編譯、調(diào)試，利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的下載工作。軟件設(shè)計主要采用TI公司CC2530提供支持的免費ZigBee協(xié)議軟件，以C語言為編程語言，在Z—Stack通用模板的基礎(chǔ)上通過改動APP程序，來實現(xiàn)無線智能空調(diào)的控制。

6.1 采集模塊軟件設(shè)計

采集模塊程序包括系統(tǒng)初始化、信道掃描、協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡、允許子節(jié)點接入網(wǎng)絡和接收節(jié)點數(shù)據(jù)等代碼程序。當系統(tǒng)上電后，首先初始化軟硬件，建立網(wǎng)絡并給每個加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配ID地址，然后系統(tǒng)進入監(jiān)聽狀態(tài)，當協(xié)調(diào)器接收到無線傳感模塊終端發(fā)送的命令時，再發(fā)送控制命令到節(jié)點就可以實現(xiàn)對空調(diào)溫度的控制。采集模塊程序流程圖如圖3所示。

采集模塊給多個傳感模塊分配的地址時，是按樹型結(jié)構(gòu)不同層d的深度對傳感模塊進行地址分配的，其不同層d分配的地址之間的間隔為Cskip（d），公式如（6）所示：

其中，Lm是結(jié)構(gòu)的最大深度;Cm是組網(wǎng)中能擁有傳感模塊的最多個數(shù);Rm是組網(wǎng)中路由器的最多個數(shù)。

當設(shè)備地址之間的間隔為0時，說明組網(wǎng)中沒有路由器，因此不能接受任何傳感設(shè)備。當?shù)刂分g的間隔大于0時，才可以給傳感模塊分配地址。

當采集模塊給多個傳感模塊分配地址時，首先給第一個子模塊分配比自身地址大1的組網(wǎng)地址，然后以地址之間的間隔Cskip（d）為公差依次進行遞增，之后依次分配給其他子模塊。地址分配如公式（7）所示：

公式（7）中，上面的式子是為多個傳感模塊分配的地址公式，下面的式子是為多個路由器分配的地址公式，Aparent為采集模塊自身的地址。

6.2 傳感模塊軟件設(shè)計

傳感模塊會自動加入網(wǎng)絡，發(fā)出綁定請求，等待采集模塊綁定響應。如果沒有響應，傳感模塊將會周期性的繼續(xù)搜索。如果綁定成功，會每隔1 s發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，然后再分兩個路徑分別傳遞，一是通過無線ZigBee技術(shù)傳遞給采集模塊，另一個是直接在LCD液晶進行顯示。當傳感模塊通過無線ZigBee技術(shù)接收到采集模塊發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)也會在LCD液晶屏上顯示。傳感模塊程序流程圖如圖4所示。

7 系統(tǒng)的測試結(jié)果及分析

無線智能空調(diào)外圍電路的測試結(jié)果分為兩個部分，一是上位機上顯示的每隔1 s采集的溫度數(shù)據(jù)及我們對空調(diào)設(shè)定的溫度。另一部分是通過LCD液晶顯示的室內(nèi)溫度和通過無線傳輸接收到的設(shè)定的溫度，如圖5所示。

測試結(jié)果表明：無線智能空調(diào)外圍電路控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度的實時采集，以及遠距離的無線傳輸?shù)目刂?，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)精準、體積小、移植性強、傳輸距離可達20m左右，可穿透障礙物等特點，具有廣闊的應用前景。

8 結(jié)束語

系統(tǒng)是基于ZigBee的無線智能空調(diào)外圍電路的設(shè)計。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無線智能空調(diào)控制系統(tǒng)更具有移植性強，省電，靈活小巧等優(yōu)點，可以應用在很多場合，方便人們的生活。PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計為36.33 mm使抗干擾能力增強，收發(fā)數(shù)據(jù)精準。系統(tǒng)以無線方式進行數(shù)據(jù)的傳輸，避免了傳統(tǒng)排線繁瑣的缺點，更適用于當今社會的需要。