基于ZigBee的紅外空調(diào)控制

聶 川，秦會斌，屈力揚

（1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018；2.中國電子科技集團公司第五十二研究所 浙江 杭州 310018）

近幾年來智能設備不僅在無線領域有飛速的發(fā)展，人們對技術的追求越來越高，智能化越來越受到人們的歡迎。用紅外遙控器控制空調(diào)雖然已取得相應的成就，但是用紅外遙控器控制空調(diào)受到距離和角度的限制，為了解決所出現(xiàn)的問題，本設計從紅外編碼、ZigBee組網(wǎng)的原理以及實現(xiàn)原理和紅外控制電路三方面分析，采用ZigBee星型組網(wǎng)方式以及多方位紅外控制電路，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)實時、高效的控制空調(diào)。

1 紅外編碼的實現(xiàn)及原理

紅外的編碼[1]是空調(diào)控制系統(tǒng)的核心。現(xiàn)有的紅外遙控[1-3]包括兩種方式：PWM （脈沖寬度調(diào)制）和PPM （脈沖位置調(diào)制）。該系統(tǒng)采用PWM的方式，其載波頻率為38 kHz，編碼協(xié)議為NEC協(xié)議。PWM波以發(fā)射紅外載波的占空比代表“0”和“1”，為了節(jié)省能量，一般情況下，發(fā)射紅外載波的時間固定，通過改變不發(fā)射載波的時間來改變占空比。如本文中所描述的格力空調(diào)的占空比為1/3，發(fā)射紅外載波的時間為0.56 ms，以不發(fā)生紅外載波的時間0.56 ms和1.69 ms來分別代表“0”和“1”，如圖 1。

圖1 調(diào)制后的"0"和"1"Fig.1 Modulated"0"and"1"

空調(diào)的紅外編碼與電視、音響等不一樣，電視的編碼格式固定，一個按鍵只有一個編碼，編碼相對簡單，而空調(diào)必須一次將制冷、溫度、風速、定時等發(fā)送完畢，編碼復雜，如圖2。

圖2 紅外發(fā)射編碼Fig.2 IR send codes

2 ZigBee組網(wǎng)原理及通信原理

2.1 ZigBee之間的網(wǎng)絡連接方式及組網(wǎng)過程

ZigBee因具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡容量大、安全性高、自組網(wǎng)以及自修復等功能而逐漸成為短距離無線通信的首選。ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結構[4，9-10]最常見的有 3種：星型、樹型、網(wǎng)狀型。如圖3。本文中采用的是星型網(wǎng)絡拓撲結構，由ZigBee協(xié)調(diào)器向ZigBee終端節(jié)點不經(jīng)過ZigBee路由器直接向ZigBee終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，此網(wǎng)絡拓撲結構簡單，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構Fig.3 ZigBee network topology

組建一個完整的ZigBee星型網(wǎng)絡[5-6]包括兩個步驟：創(chuàng)建網(wǎng)絡和添加節(jié)點。

創(chuàng)建網(wǎng)絡：第一步，確定一個ZigBee為協(xié)調(diào)器，并確定其沒有加入到其它的局域網(wǎng)中；第二步，確定的ZigBee協(xié)調(diào)器對信道進行掃描；第三步，確定的ZigBee協(xié)調(diào)器設置網(wǎng)絡的ID。

添加節(jié)點：第一步，加入的節(jié)點查找最近的ZigBee協(xié)調(diào)器；第二步，加入的節(jié)點發(fā)送連接請求給ZigBee協(xié)調(diào)器；第三步，ZigBee協(xié)調(diào)器接收加入的節(jié)點發(fā)送的請求并進行處理；第四步，ZigBee協(xié)調(diào)器將同意加入的命令存儲起來并發(fā)給加入的節(jié)點；第五步，加入的節(jié)點接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的同意加入的命令。

2.2 ZigBee之間的互相通信

ZigBee之間相互通信[7]框架圖如圖4所示，它們之間通過函數(shù)

多個ZigBee通過識別不同的cID來接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出的信息，達到可靠、穩(wěn)定的效果。

destAddr:指向目的地址

cID：指ZigBee的發(fā)送序號

buf：指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)

len：指發(fā)送數(shù)據(jù)的長度

圖4 ZigBee通信框架Fig.4 ZigBee communication frame

3 實驗仿真與分析

3.1 系統(tǒng)工作框架原理

系統(tǒng)借助PC串口助手，在串口助手上輸入紅外編碼，發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過組網(wǎng)，將編碼信號經(jīng)過無線傳送給ZigBee終端節(jié)點，終端節(jié)點收到指令后，控制CC2530芯片的P1_4引腳將紅外編碼發(fā)送出去，隨后將發(fā)送編碼成功信息反饋給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將信息顯示到串口助手上。如圖5系統(tǒng)框架[8]圖。

圖5 系統(tǒng)工作框架圖Fig.5 System work frame

3.2 紅外模塊設計

系統(tǒng)采用外部供電的方式給紅外發(fā)射管供電，P1_4引腳的輸出電壓為3.3，當S8050三極管導通工作時，根據(jù)回路、回路，以及紅外發(fā)射管的參數(shù)，本文采用Rb=1.5 kΩ，Rc=100Ω，保護紅外發(fā)射管和三極管。紅外模塊電路圖[2-8]如圖6所示。

3.3 實驗結果和分析

實驗結果：當依次輸入制冷模式、開空調(diào)、風速高、掃風開、睡眠關、溫度26℃、不定時后，實驗結果如圖7所示，遙控編碼如圖8所示。

圖6 紅外模塊電路圖Fig.6 IR circuit

實驗分析：將實驗結果圖與遙控器的紅外編碼圖比較，相差無異，空調(diào)可以正常工作，此實驗說明，紅外模塊的設計是合理的。但是外接電壓經(jīng)過1小時供電后，Vcc降低了，紅外的發(fā)射距離受到了影響，有時空調(diào)接收不到信號；同時紅外發(fā)射管與空調(diào)的紅外接收管必須保證一定的角度，空調(diào)才能接收到信號，對此進行以下改進。

圖7 實驗編碼Fig.7 Experiment codes

圖8 遙控器編碼Fig.8 Remote-controler codes

3.4 實驗改進

針對2.3中的實驗的結果分析，為保證紅外長距離穩(wěn)定發(fā)射，在三極管的基極上與電阻并聯(lián)2個二極管，這樣基極電壓被控制在1.2，三極管的發(fā)射極電壓，保證發(fā)射極電壓為恒定的0.6。解決了因電壓降低不能長距離發(fā)送的問題。為解決角度的問題，在外接電路上再并聯(lián)2個紅外發(fā)射管，解決了單一方向和角度的問題。改善后的電路如圖9所示。

圖9 改進后的紅外發(fā)射電路圖Fig.9 Changed IR emit circuit

改進后再次對實驗結果進行測試，與未修改時相比波形幾乎沒有什么變化，經(jīng)過1小時供電后，再次進行測試，結果顯示，波形穩(wěn)定。

4 結 論

文中提出了一種基于ZigBee的紅外控制空調(diào)的方法。該方法摒棄了傳統(tǒng)的利用空調(diào)遙控器進行空調(diào)的方法，簡化了操作，同時還得到了空調(diào)的反饋信息。將該方法應用于實驗室智能設備的控制上具有一定的參考價值。經(jīng)過對實驗結果的進一步分析，完善紅外發(fā)射電路的設計，達到了理想的控制空調(diào)的效果。實驗表明，本文提出的方法對長距離控制實驗室設備，具有一定的意義。

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