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基于ZigBee的智能家居系统重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 基于ZigBee的智能家居系统 摘 要： 基于ZigBee的智能家居系统是针对家居高度自动化、智能化的要求提出的一种新的解决方案。主要用ZigBee手持控制器无线采集室内环境参数，远程控制各种家居电器，实现家居控制、参数检测的完全自动化、智能化。设备以C8051F020单片机为控制核心单元，检测湿度，负责驱动电机，处理和传输数据。采用高精度传感器作为湿度检测器件，直流电机等为执行机构，完成环境参数检测，对窗帘、交流电电器等的控制功能。用手持设备通过IP-LINK1270模块串口实现了室内无线通信，可以接收湿度数据，控制简单家居。本系统具有良好的开发和应用前景。 关键词： ZigBee 无线通信 湿度检测 智能家居 由于生活质量的日益改善，各种家电设备的高度自动化和智能化已经成为一种消费需求，同时科学技术的飞速发展，让这种需求的达到已经不再遥远。新的ZigBee协议在无线传感器网络和各种无线终端控制方面有良好的前景，为传感器网络和控制设备提出了新的方案。基于ZigBee的网络控制系统就可以实现对各种家电设备的控制和调节，只需要对旧式家电进行改装，或加入必要的驱动电路，便可以实现小信号对交流电器的控制。室内温度、湿度等环境参数直接影响生活质量，同样可以通过ZigBee控制器对室内温度、湿度检测设备进行较远距离的适时采集，然后根据个人意愿对家电进行不同程度的调节。 我们对实用小功率电扇进行了改装，对窗帘装上直流电机和定滑轮，可以由ZigBee控制器向单片机发送命令对电扇和窗帘的开关程度控制和调节。室内参数检测方面，开发了湿度检测设备，可以有效的反馈实时数据。 一、系统结构及各部分功能 在整个系统设计方案中，以C8051F020为核心，作为数据处理器和设备控制器，整个设备也可作为工业现场设备，从属于ZigBee核心控制器。 系统结构如图所示， 湿度传感器模块声光报警模块数码管显示模块L6201电机驱动模块晶闸管电扇控制模块独立式按键模块C8051F020单片机1270收发模块无线通信ZIGBEE控制器电源模块图1 系统总体结构图 1 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 上图中所示各个模块的基本功能分别为： 湿度传感器模块：把传感器信号作滤波处理，并送入单片机模拟通道。 L6203电机驱动模块：当单片机的提供信号满足条件时，输出电压驱动电机正转或反转。 晶闸管电扇控制模块：单片机选择驱动不同的晶闸管，以实现对交流电电器如电扇的控制。 独立式按键：对四个按键的组合运用，设置湿度报警的上限和下限；操作控制电扇、窗帘。 声光报警模块：当湿度值超出人为设定的报警限时，自动报警。 数码管显示：三位数码管显示湿度相对百分比，精确到小数后一位。 二、模块设计实现原理 1、电源设计 在整个系统中，所选湿度传感器需要5.0V的直流稳压电源，单片机C8051F020需要3.3V的直流稳压电源，电源的设计要求非常严格。如图所示，我们选用LM2576芯片，产生5V的电源，输入电源可以选择通过变压器直接输入9V24V的直流信号，以满足电机驱动芯片L6203的电源；5V直流电源通过ASM1117产生3.3V电源提供给单片机C8051F020。电源模块产生信号比较稳定，能够很好的满足系统需要。 图2 电源电路 2、传感器数据采集模块 本系统中，我们选用了北京宝利马公司生产的湿敏传感器，具有良好的线性关系，输出0.9V3.8V的模拟信号，可以直接输入单片机。如图所示，传感器输出信号通过电容滤波，减小波动和干扰误差后，输入单片机C8051F020进行A/D转换，并且可以通过选择开关，选择单片机模拟通道。 2 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 图3 传感器接口电路 3、通信模块 整个控制网络系统中的无线通信功能是通过IP-LINK1270模块和C8051F020之间的串口通信实现的。IP-LINK1270模块是完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee规范的2.4GHz无线收发模块。需要3.3V的工作电源和逻辑电平，刚好保证和C8051F020顺利通信，其复位端与单片机复位端相连，单片机上电的同时IP-LINK1270模块也复位。该模块在使用之前，需要配置其网络号，节点号以及信道和频率等，以便准确的向设备发送数据或命令。 图4 通信接口电路 4、电机驱动和晶闸管开关模块 用芯片L6203作为电机的核心驱动，从单片机I/O口输出一路信号作为L6203的使能信号，控制芯片的通断。再由单片机提供两路信号，两路信号呈现一高一低时方可驱动电机，高低的顺序不同，电机的转动方向不同。 3 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 图5 执行电机驱动电路 5、其它常用模块 本系统中所用到的常用模块主要包括独立式按键电路、声光报警电路和三位数码管显示电路。 图6 报警、按键、显示电路 独立式按键采用上拉的方式接入单片机，当无按键按下时，I/O输入上拉电源提供的的高电平，而当有按键按下时上拉电阻一端接地，输入有效信号高电平。 由于单重的声音或灯光，在工业现场不一定达到预期地报警效果，我们选用灯光报警的方式，通过单片机用三极管控制蜂鸣器和发光二极管通断。 三位数码管用动态的显示方式节约了I/O资源，同样通过控制三极管的通断来实现数码管的片选，只要扫描频率足够高，视觉就感受不到闪烁。 4 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 三、部分软件流程 1、湿度检测设备主流程 C8051F020单片机各种资源丰富，功能强大。先必须对单片机进行初始化，包括系统时钟、定时器、端口等的初始化，还有一些特殊功能ADC等的初始化，然后进入A/D，依次报警限检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。 开始初始化A/D转换是否超限按键处理报警数码显示是否有按键等待串口中断图7 湿度检测主流程图 2、A/D转换流程 C8051F020的内嵌12位ADC，可以通过向AD0BUSY写“1”启动转换，应查询AD0INT位以确定转换何时结束。查询步骤如下： 1、写“0”到AD0INT； 2、向AD0BUSY写“1”； 3、查询并等待AD0INT变“1”； 4、处理ADC0数据。 5 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 进入A/D软件启动A/DN转换结束？读取数据YNext？退出图8 A/D转换流程图 3、串口中断服务流程 在整个通信过程中，家居设备始终处于被动地位，只需要不断地检测接收中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于执行命令还是查询数据命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否发送成功。若没有成功，连发第二次数据。 串口中断读取数据解析数据命令命令判断数据发送数据控制相应设备运行解析反馈N发送成功？中断返回图9 串口中断流程图 6 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 4、ZigBee控制器流程 ZigBee手持是整个系统地核心，我们在已有的手持硬件中嵌入了自己的操作流程和显示界面。作为命令的发出源，必须不断地扫描按键接口，一旦有按键，则执行相应规定命令或发送特定数据。 然后等待一段时间，接受数据，在LCD界面显示相应标志或数据。基本流程图如下： 开始检测到按键判断按键界面操作发送命令等待数据界面显示Y有数据到？NY准备下次延时到？N图10 ZigBee控制器流程图 三、设备操作规则 1、湿度检测设备按键设置 四个按键负责设置报警上限和下限的增加或减小，每次击键上限或下限都增加或减少2%，并且同时显示报警限。 S1&S3(先按下S1) S1&S4(先按下S1) S2&S3(先按下S2) S2&S4(先按下S2) 下限加2% 下限减2% 下限加2% 下限减2% 2、电扇、窗帘控制设备按键设置 同样，用四个按键负责窗帘的开关，拉开速度快慢，窗帘拉开的程度与击键的时间有关，；控制交流电电器电扇的开关，7 重庆邮电大学第一届学生科技文化节学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 换挡等功能。 窗帘操作： S1 S2 S1&S3(先按下S3) S2&S3(先按下S3) 窗帘拉开 窗帘拉合 电机调高档 电机调低档 小功率电扇操作： S1&S4(先按下S4) S1&S4(先按下S4) S1&S4(先按下S4) S4 开 开 开 关 基于ZigBee的家具智能系统，具有通信功能强，功耗低等优点，家庭应用时无线通信有效距离适中，具有良好的应用前景。目前。我们的开发只处于实验室阶段，通过一些简单设备的改装和调试，实现了预期的基本目标。可以控制窗帘、交流电电器电扇等简单设备，也可以进行湿度、温度等环境参数的无线检测。该系统也可进一步扩展为对所有家庭多种环境数据综合采集，对各种家电实现网络化控制，组成高度自动化、智能化、网络化的智能家居系统。 附：实验设备电路图 8