基于ZigBee通信的智能家居控制系統(tǒng)

高慶云 天津職業(yè)技術師范大學研究生部

【摘 要】本文主要介紹智能家居控制系統(tǒng)各部分軟硬件設計。智能終端以STM32系列單片機為核心，配置相應外圍電路，移植μC/OS-II內核，編程實現(xiàn)對家庭網絡內部其他節(jié)點的遠程控制，并移植μC/GUI以提供人機交互界面。溫度、燈光控制節(jié)點以ATMega16單片機為控制核心，實現(xiàn)對溫度和燈光亮度的數(shù)據(jù)采集，使用ZigBee通信模塊將采集數(shù)據(jù)上傳給智能終端。控制節(jié)點可根據(jù)接收的命令或自行與設定值比較，再控制執(zhí)行裝置，以達到改變室內溫度和燈光強弱的目的。

【關鍵詞】智能家居 ZigBee通信 μC/OS-II STM32單片機

【中圖分類號】TP315 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）23-0196-02

一 引言

智能家居是以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、自動控制技術、網絡通信技術和綜合布線技術，通過統(tǒng)一的網絡總線和控制平臺將家庭的電器設備控制系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)有機地結合在一起，統(tǒng)籌管理，提供兼?zhèn)浣ㄖO備、網絡通信、信息家電等設備自動化。本文設計智能終端（家庭網關）、溫度控制節(jié)點和燈光控制節(jié)點，利用具有低功耗、低成本、短時延、大網絡容量、高可靠性等特點的ZigBee無線通信技術實現(xiàn)家庭內部網絡的控制，為家居智能化提供了一種有據(jù)可循的實現(xiàn)方案。

二 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構是由智能終端、溫度控制節(jié)點和燈光控制節(jié)點三部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，各部分通過ZigBee無線通信模塊傳送數(shù)據(jù)。其中，溫度和燈光控制節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集能力，既可以將采集數(shù)據(jù)打包后上傳給智能終端，也能接收智能終端下發(fā)的執(zhí)行命令。智能終端將兩個控制節(jié)點上傳的溫度和燈光數(shù)據(jù)匯總后，與設定值進行比較，所得結果以無線方式發(fā)送給各控制節(jié)點，控制節(jié)點在接收到命令后會自行判斷是否啟動相應的執(zhí)行機構調節(jié)環(huán)境溫度和燈光亮度。智能終端還配有人機界面用以顯示采集數(shù)據(jù)，同時，也為用戶設定系統(tǒng)參數(shù)提供了便利。

三 硬件平臺設計

1.智能終端的硬件電路

智能終端以意法半導體（ST）公司研發(fā)生產的32位微控制器STM32F103VBT6為核心，增加ZigBee通信模塊、SD卡、LCD控制器、觸摸屏等外圍電路，實現(xiàn)無線通信、數(shù)據(jù)存儲和人機交互等功能。

ZigBee無線通信模塊。使用單芯片（SoC）解決方案實現(xiàn)ZigBee無線通信。以TI公司生產的CC2530芯片為核心，外接32MHz和32.768KHz震蕩晶體分別為芯片提供工作主時鐘和精確定時時鐘，通過USART與MCU進行數(shù)據(jù)傳輸。這種解決方案能夠提高性能并滿足以Zigbee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，以及對低成本、低功耗的要求。

LCD接口電路。采用標準接口TFT 型37線LCD，控制器為ILI9320。3.3V供電電壓，使用DB0-DB7、DB10-DB17共16根數(shù)據(jù)線與MCU進行通信，ILI9320的片選端、背光控制引腳、寫控制引腳均與MCU的GPIO連接，調用指令代碼實行硬件控制。

觸摸屏模塊。采用四線制電阻式觸摸屏。X+X-Y+Y-四個引腳直接與MCU的ADC接口連接，ADC將觸摸屏采集到的模擬信號量轉換為數(shù)字信號量，MCU讀取ADC的寄存器值進行處理以確定觸摸屏被按下的位置。

SD卡接口電路。如果MCU的片內Flash容量不夠大時，可使用SD卡來存儲數(shù)據(jù)，通過MCU的SPI2總線與之通信，SD卡作為SPI從機。

電源模塊。系統(tǒng)供給電壓為標準5V，經AMS1117芯片降壓到3.3V后供給MCU和CC2530使用。為提高ADC轉換精度，連接獨立的外部參考電壓到MCU的VREF+引腳，提供模擬基準電源。

復位和時鐘模塊。通過在MCU的NRST引腳外接手動開關（外部復位），接低電平實現(xiàn)一次系統(tǒng)復位。

連接8MHz的石英晶體振蕩器到MCU的SOC_IN引腳，為之提供更精確的主時鐘；同時，連接32.768KHz頻率的手表晶體振蕩器至OSC32_IN引腳，為MCU的實時時鐘或其他定時功能提供一個低功耗且精確的時鐘源。

2.溫度/燈光控制節(jié)點

溫度與燈光控制節(jié)點的硬件電路設計相似。以8位單片機ATMega16為控制核心，連接若干外圍電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和對執(zhí)行裝置的控制，且均保留了手動控制。

溫度控制節(jié)點使用Dallas半導體公司生產的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測室內溫度，并通過ZigBee無線通信模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給智能終端，再根據(jù)智能終端下發(fā)的命令控制執(zhí)行裝置（散熱器），使室溫保持在設定值范圍內恒定不變。

燈光控制節(jié)點是根據(jù)光線的強弱，來控制燈光的強度，可實現(xiàn)三個功能，軟啟動功能：開燈時，燈光由暗逐漸變亮；關燈時，燈光由亮漸漸變暗，避免亮度的突然變化沖擊視覺。燈光調節(jié)功能：可以利用本地開關來進行光線明暗的調整，也可以利用智能終端或遙控器調整。全開全關功能：整個照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)一鍵全開和一鍵全關的功能。

使用光敏電阻實現(xiàn)燈光的采集，將阻值變化轉換為電壓變化，連接至MCU的ADC接口將模擬量轉換為數(shù)字量，發(fā)送到智能終端。MCU再根據(jù)智能終端下發(fā)的命令調整PWM占空比，輸入PT4115綠色照明LED驅動電路，控制燈光的強弱。

四 系統(tǒng)軟件設計

1.智能終端的程序設計

μC/OS-II是完全可剝奪型的實時內核，即μC/OS-II總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務；它的各種服務都以任務的形式出現(xiàn)，可以管理64個任務，留給用戶的應用程序最多可有56個任務；μC/OS-II源碼絕大部分都是用ANSI C編寫，只有與微處理器硬件相關的部分使用匯編語言編寫。

智能終端的軟件設計包括一個主函數(shù)和兩個任務。在MCU主時鐘穩(wěn)定工作后，首先調用OSInit（ ）初始化系統(tǒng)，包括初始化中斷向量和USART、使能端口時鐘、初始化LCD和SD卡；然后調用OSTaskCreateExt（ ）和OSTaskCreate（ ）創(chuàng)建AppStartTask_1和AppStartTask_2這兩個任務；最后，調用OSStart（ ）啟動任務。

其中，AppStartTask_1主要負責讀取ADC轉換的觸摸屏數(shù)據(jù)和Zigbee接收的采集數(shù)據(jù)，并進行處理，一方面用于LCD顯示，另一方面用于決策下發(fā)的命名。AppStartTask_2首先繪制LCD顯示所需的圖形框，之后進入死循環(huán)，不停判斷是否有數(shù)據(jù)要更新，當檢測到數(shù)據(jù)更新后立即刷新顯示區(qū)。還負責設定值的更新，當設定值改變后通過Zigbee無線通信模塊，轉發(fā)給溫度/燈光控制節(jié)點。

2.控制節(jié)點的程序設計

溫度/燈光控制節(jié)點不僅可以將采集數(shù)據(jù)上傳給智能終端，等待其下發(fā)的執(zhí)行命令，還可以與用戶手動設定值進行比較，從而控制執(zhí)行裝置的動作，組成獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。兩個控制節(jié)點的程序設計相似。

五 結束語

本文設計的智能終端和溫度/燈光控制節(jié)點已實現(xiàn)家庭內部網絡的無線通信，可對溫度和燈光進行遠程智能控制。本設計方案還可進一步改進硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計，以降低各模塊的電能消耗，并提高整個系統(tǒng)無線通信的可靠性。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕