基于嵌入式的無線智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

熊少義 朱 凱

（1.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.中國移動通信集團(tuán)河南有限公司商丘分公司，河南 商丘 476000）

基于嵌入式的無線智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

熊少義1朱 凱2

（1.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.中國移動通信集團(tuán)河南有限公司商丘分公司，河南 商丘 476000）

家居智能遠(yuǎn)程控制已經(jīng)備受關(guān)注，在現(xiàn)場級使用無線取代有線已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢，文章主要針對現(xiàn)在社會的需要以節(jié)能燈為例，設(shè)計了一種基于ZigBee的無線自組網(wǎng)絡(luò)的通信方式，利用協(xié)調(diào)器收集無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息并將信息通過ARM搭建的webserver進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)通過Internet來查看和控制節(jié)能燈的目的，并對于設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)ZigBee協(xié)議、LED燈驅(qū)動、websrver的搭建、以及TCP/IP協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了目前家具智能控制中存在的不足，具有一定的參考價值和使用價值。

無線控制；自組網(wǎng)；LED驅(qū)動；ZigBee協(xié)議；TCP/IP協(xié)議

無線技術(shù)的快速發(fā)展使其在家庭智能控制、消費(fèi)電子業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等多個領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用和發(fā)展。但是隨著通信距離的增加，設(shè)備的復(fù)雜度功耗以及成本都在增加，傳統(tǒng)的無線應(yīng)用大部分轉(zhuǎn)向了Bluetooth技術(shù)，近幾年ZigBee協(xié)議的出現(xiàn)打破了這種局面。ZigBee協(xié)議是種新興的、近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，通信速率最大能達(dá)到250kbps，它以接力的形式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器節(jié)點(diǎn)傳送到目的傳感器節(jié)點(diǎn)，通信效率非常高。性能決定了潛力，ZigBee協(xié)議的發(fā)展將不可限量。另外，快速的生活節(jié)奏讓人們對于家居智能化控制的要求越來越高，遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備將很快在各大城市普及，為給人們帶來方便，越來越多的企業(yè)巨資投入家居智能控制產(chǎn)業(yè)，使這一產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。文章結(jié)合實(shí)際設(shè)計了一種家居無線控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。同時也提出了系統(tǒng)中存在的不足和今后改進(jìn)的方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計的總體方案

家居無線控制系統(tǒng)根據(jù)使用的技術(shù)可以分為現(xiàn)場級和遠(yuǎn)程控制級，現(xiàn)場級采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線傳輸，利用ZigBee系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器將各個節(jié)點(diǎn)中LED的信息收集起來，存放在ARM搭建的webserver，在遠(yuǎn)程控制級使用Internet在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入webserver的IP地址，將各個節(jié)點(diǎn)的信息通過以太網(wǎng)傳輸以網(wǎng)頁的形式顯示出來，然后就可以對其進(jìn)行控制，系統(tǒng)的示圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖示

2 現(xiàn)場級設(shè)計

2.1 ZigBee協(xié)議的介紹

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)

研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。是一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC 層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上由Zigbee 聯(lián)盟制定了應(yīng)用會聚層、應(yīng)用層規(guī)范（API）和網(wǎng)絡(luò)層，組成了Zigbee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]。整個協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由終端（ZigBee Endpoint，ZE）、路由（ZigBee Router，ZR）、和協(xié)調(diào)器（zigbee Coordinator，ZC）三種設(shè)備構(gòu)成[2]，其中終端是簡化功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）即只能夠與路由或者協(xié)調(diào)器直接通信，路由是全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）即既可以和路由和終端直接通信也可以和協(xié)調(diào)器直接通信，協(xié)調(diào)器是PAN 協(xié)調(diào)器（PANC）即它負(fù)責(zé)一個PAN區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建立及管理。僅通過簡單的8 位微處理器和4 K 的系統(tǒng)資源就能完成其協(xié)議功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者ZC協(xié)調(diào)各個節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)，并與其它的路由或終端裝置連接，能夠收集到各個節(jié)點(diǎn)的信息。系統(tǒng)中使用了TI公司的CC2530作為節(jié)點(diǎn)的控制芯片，芯片–適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能需要極少的外接元件并且可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，IR發(fā)生電路具有捕獲功能的32kHz的睡眠定時器，硬件可支持CSMA/CA機(jī)制和精確的數(shù)字化RSSI/LQI電池監(jiān)視器還有溫度傳感器，最主要的是還具有8 路輸入和可配置分辨率的12位ADC，完全能夠滿足項目的需求。

圖2 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

2.2 節(jié)點(diǎn)原理圖的設(shè)計

系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)采用的是TI公司的CC2530作為射頻模塊的主芯片，它適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，只需極少的外接元件，一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要，適合系統(tǒng)配置符合世界范圍的無線電頻率法規(guī)：ETSI EN 300 328 和EN 300440（歐洲），F(xiàn)CC CFR47 第15 部分(美國)和ARIB STD-T-66（日本），它的最大特點(diǎn)是低功耗；主動模式RX（CPU 空閑）：24mA；主動模式TX 在1dBm（CPU 空閑）：29mA；供電模式1（4μs 喚醒）：0.2 mA；供電模式2（睡眠定時器運(yùn)行）：1μA；供電模式3（外部中斷）：0.4 μA。并且它還具有較寬的電源電壓范圍（2 V～3.6 V）。微控制器部分是采用優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核，它具有強(qiáng)大的5 通道DMA，IEEE 802.5.4 MAC 定時器，具有捕獲功能的32-kHz 睡眠定時器并且硬件支持CSMA/CA和精確的數(shù)字化RSSI/LQI還有電池監(jiān)視器和溫度傳感器和8路輸入和可配置分辨率的12 位ADC，在I/O端口部分他具有2個支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART和21 個通用I/O引腳（19×4 mA，2×20 mA）還有看門狗定時器，優(yōu)良的性能和豐富的資源是CC2530能夠滿足系統(tǒng)的要求。CC2530的原理圖如圖3。

圖3 CC2530原理圖

2.3 現(xiàn)場級原理框圖

現(xiàn)場級的工作模塊有電源模塊、CC2530射頻通訊模塊、光控模塊、溫控模塊、串口單元、調(diào)試接口，LCD顯示部分（只在協(xié)調(diào)器上），PT4115驅(qū)動模塊和JTAG調(diào)試接口部分，其中CC2530射頻模塊的能夠根據(jù)接收到的命令產(chǎn)生不同脈寬比的PWM脈沖來控制LED燈的亮暗程度。

圖4 現(xiàn)場系統(tǒng)框圖

在現(xiàn)場的工作流程如下：系統(tǒng)采用24V直流為LED驅(qū)動供電，射頻模塊使用的是經(jīng)過24V變壓為3.3V的直流，光控模塊采用的是TPS851，溫控模塊采用的是TC77模塊其工作過程將在2.3.1介紹，CC2530上電后加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行一些列的初始化，然后將協(xié)調(diào)器給自己分配的MAC地址發(fā)送到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將新加入的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給上位機(jī)，然后節(jié)點(diǎn)將通過協(xié)調(diào)器與上位機(jī)交互，其具體交互命令如表1：

表1 交互命令表

當(dāng)協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)發(fā)送的“$set address”時，協(xié)調(diào)器改變發(fā)送對象的地址為指定的地址，若為0xFFFF則需要協(xié)調(diào)器進(jìn)行廣播；當(dāng)協(xié)調(diào)器收到“$set find”，則轉(zhuǎn)發(fā)這條命令給各個節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)收到命令后會將自己的MAC地址和母節(jié)點(diǎn)的MAC地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進(jìn)行記錄；當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到命令“$get temp”或者“$get batt”后轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)收到命令后會采集溫度和電量值然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將保存；當(dāng)協(xié)調(diào)器收到命令“$nwk updata”時，協(xié)調(diào)器會將命令轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)收到命令后將對與自己直接路由的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，如果有僵死的節(jié)點(diǎn)，母節(jié)點(diǎn)將刪除該節(jié)點(diǎn)的記錄；協(xié)調(diào)器接收到命令“$pwmp[0-8]”時候，將命令轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)將根據(jù)pwm后面數(shù)字的大小來定義PWM脈沖的占空比，從而控制LED燈的亮暗程度；系統(tǒng)協(xié)調(diào)器將通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，將節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息傳送到上位機(jī)。

2.4 溫控模塊的設(shè)計

系統(tǒng)的溫控模塊采用的是TC77，它能夠檢測出外界的溫度，能夠使用9位來表示溫度的整數(shù)部分，7位來表示溫度的小數(shù)部分，精確度高，能夠?qū)囟鹊臄z氏度和華氏度相互轉(zhuǎn)換，具體的溫度值由CC2530的命令來采集，采集過程如圖5。節(jié)點(diǎn)上電，MCU即CC2530進(jìn)行一系列初始化，然后對環(huán)境變量進(jìn)行初始化，如果采樣周期未到達(dá)則繼續(xù)等待，采樣周期到達(dá)后讀取TC77中的溫度值，由于溫度值是由16位二進(jìn)制構(gòu)成，采樣過程中需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換完畢則判斷獲得值是否合法，如果是負(fù)值則對其求補(bǔ)碼，檢測是否將溫度值轉(zhuǎn)換為華氏度的標(biāo)志，如果標(biāo)志為1，則對攝氏度進(jìn)行轉(zhuǎn)換為華氏度，若標(biāo)志位沒有置位，直接將讀取的溫度值放在寄存器LEDREG中，當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送讀取命令時，直接將放在寄存器中的值發(fā)送給協(xié)調(diào)器即可。

圖5 溫度讀取流程圖

2.5 LED驅(qū)動的設(shè)計

系統(tǒng)以控制家居中的LED作為實(shí)例之一，實(shí)現(xiàn)對LED的亮暗程度的控制，系統(tǒng)中使用TI公司的CC2530 模塊對LED亮暗程度進(jìn)行控制，LED的主控芯片采用是PT4115。它有很寬的輸入電壓范圍：從6V到30V，最大輸出1.2A 的電流，復(fù)用DIM引腳進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光，5%的輸出電流精度，LED開路自然保護(hù)，高達(dá)97%的效率，輸出可調(diào)的恒流控制方法，增強(qiáng)散熱能力的 ESOP8 封裝可用于大功率驅(qū)動。設(shè)計原理圖如圖6.系統(tǒng)中采用了采樣電阻為0.33歐姆，LED采用3W，DIM端口接收PWM輸入，輸入頻率最大到20KHZ，系統(tǒng)由CC2530的P1.2借口來產(chǎn)生，采用頻率為100Hz的PWM，頻率f=24MHz/Prescare(T1CTL設(shè)置)/ T1CC0，設(shè)置定時器1為模模式的“設(shè)置輸出為向上比較模式”（T1CCTL設(shè)置），即計數(shù)器從0計數(shù)到T1CC0，0<= T1CC1<=T1CC0，這樣就能產(chǎn)生PWM波形，脈沖寬度的設(shè)置可以使用改變T1CC1的值來改變，從而改變燈的亮暗程度，設(shè)脈沖寬度的比例為D，則輸出恒定電流的值 Iout=(0.1*D)/Rs,實(shí)驗測試當(dāng) D=1、7/8、6/8、…、0，I= 0.04、0.08、0.11、0.16、0.19、0.24、0.28、0.32（單位A），基本上和理論值一樣。

3 網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計

系統(tǒng)采用三星公司的TQ2440作為服務(wù)器的宿主機(jī)，系統(tǒng)的頻率能到達(dá)500MHZ，有256M的內(nèi)存，能夠充分的滿足系統(tǒng)需要，webserver采用BOA+CGI+HTML來實(shí)現(xiàn)。具體的數(shù)據(jù)交互框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交互框圖

向客戶端返回請求結(jié)果等任務(wù)。它的工作過程主要包括：

圖6 驅(qū)動原理圖

驅(qū)動電路的損耗由RS損耗（0.1*Iout=0.1*0.32）、電感損耗（DCR*Iout2=0.128*0.32*0.32）、功率開關(guān)導(dǎo)通損耗（Rsw*Iout2=0.6*0.32*0.32）、功率開關(guān)開關(guān)損耗（正比于開關(guān)頻率）等主要部分組成，計算后可知此驅(qū)動效率達(dá)到90%，完全達(dá)到節(jié)能的目的；另外在做PCB版圖時候需要注意合理的PCB 布局對于最大程度保證系統(tǒng)穩(wěn)定性以及低噪聲來說很重要。使用多層PCB 板是避免噪聲干擾的一種很有效的辦法。為了有效減小電流回路的噪聲，輸入旁路電容應(yīng)當(dāng)另行接地，PCB銅箔與PT4115 的散熱PAD和GND的接觸面積面積要盡可能大，以利散熱。SW端處在快速開關(guān)的節(jié)點(diǎn)，所以PCB走線應(yīng)當(dāng)盡可能的短，另外芯片的GND端應(yīng)保持盡量良好的接地。還有布板中要注意的電感應(yīng)當(dāng)距離相應(yīng)管腳盡可能的近一些，否則會影響整個系統(tǒng)的效率。另外一個需要注意的事項是盡量減小RS 兩端走線引起的寄生電阻，以保證采樣電流的準(zhǔn)確。(a)完成 Web 服務(wù)器的初始化工作，如創(chuàng)建環(huán)境變量、創(chuàng)建TCP 套接字、綁定端口、開始偵聽、進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，以及等待接收客戶瀏覽器的連接請求；(b)當(dāng)有客戶端連接請求時，Web 服務(wù)器負(fù)責(zé)接收客戶端請求，并保存相關(guān)請求信息；( c)在接收到客戶端的連接請求之后，分析客戶端請求，解析出請求的方法、URL目標(biāo)、可選的查詢信息及表單信息，同時根據(jù)請求做出相應(yīng)的處理；(d)Web服務(wù)器完成相應(yīng)處理后，向客戶端瀏覽器發(fā)送響應(yīng)信息，關(guān)閉與客戶機(jī)的TCP連接。嵌入式Web 服務(wù)器Boa 根據(jù)請求方法的不同，做出不同的響應(yīng)。如果請求方法為HEAD，則直接向瀏覽器返回響應(yīng)首部；如果請求方法為 GET，則在返回響應(yīng)首部的同時，將客戶端請求的URL 目標(biāo)文件從服務(wù)器上讀出，并且發(fā)送給客戶端瀏覽器；如果請求方法為 POST,則將客戶發(fā)送過來的表單信息傳送給相應(yīng)的CGI 程序，作為CGI 的參數(shù)來執(zhí)行CGI 程序，并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給客戶端瀏覽器。Boa 的功能實(shí)現(xiàn)也是通過建立連接、綁定端口、進(jìn)行偵聽、請求處理等來實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

經(jīng)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對室內(nèi)LED進(jìn)行控制，在室內(nèi)無障礙15 m 左右距離，無遮擋物環(huán)境下速率能夠達(dá)到250 kbps； 通信的誤碼率可小于2%。系統(tǒng)在發(fā)射狀態(tài)下耗電為25.7 mA，接收時為29.3 mA，休眠狀態(tài)下僅為2.5 μA。系統(tǒng)將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee 運(yùn)用于節(jié)能燈控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，從而省掉了系統(tǒng)布線，使傳感器安裝快捷、組網(wǎng)容易、成本低。運(yùn)用CC2530 新型單片機(jī)控制，可提高傳感器的靈敏度和可靠性。本系統(tǒng)具有低成本、低功耗、實(shí)施簡單、遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)，但是系統(tǒng)存在不足是功能單一，系統(tǒng)只僅僅通過控制LED來演示效果，還不能完全聯(lián)通其他家具設(shè)備，在以后的工作中需要完善。但是系統(tǒng)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)具有很高的參考價值。

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Design and Implementation Of Smart Home System

Home intelligent remote control has been concerned greatly，it is an inevitable trend of development that wireless replacing wired will be used in the field level. This article which focused on the needs of society introduces a design of ZigBee-based wireless self-organizing network communication form based on the energy saving lamp need. It uses the coordinator to collect information of ZigBee-based wireless self-organizing network node and transmits the information through the webserver built by ARM to achieve the purpose of viewing and controlling the energy saving lamp through the Internet. In this paper it analyzes the key technologies of ZigBee protocol, LED lamp driver, websrver structures as well as TCP / IP protocol in detail and propose the disadvantages of furniture intelligent control. This is of certain reference value and use value.

Wireless Control; self-organizing network; LED driver; ZigBee protocol; TCP / IP protocol

TP393

A

1008-1151(2011)08-0025-04

2011-04-15

熊少義（1986－），男，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院碩士，從事于嵌入式無線通信；朱凱，男，中國移動通信集團(tuán)河南有限公司商丘分公司市場經(jīng)營部，從事移動通信的研究。