無線智能空調系統外圍電路的設計

湯斯茗，李 新，李春風

（1.沈陽工業大學 遼寧 沈陽 110087；2.沈陽通美電器有限公司 遼寧 沈陽 110000）

當今社會，人們對生活品質要求越來越高，而傳統的家電已經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融入到傳統的家用電器中，使之智能化并具有網絡終端功能，可以隨時隨地地獲取與處理信息的消費電子產品[1]，其重要的特征是通過Internet傳遞數字信息[2]。基于此，設計了一種基于ZigBee通信協議的智能空調控制系統的外圍電路。結合原空調控制系統，可以遠程實時監測、控制空調的運行。

1 ZigBee技術的優勢

二十一世紀以來，比較流行的無線局域網通信分別有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、低復雜度的優勢適合應用在短距離、傳輸信息少的無線控制系統中，更符合無線智能家電物美價廉、節能減排的綠色理念。因此，基于ZigBee通信協議的智能家電控制系統將是未來的發展方向。

2 ZigBee協議棧結構

ZigBee協議棧結構是由一組被稱為層的模塊組成[3]。下面的一層為上面的一層執行特定的服務，即數據實體提供了數據傳輸服務，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。物理層和媒體介質訪問層由IEEE802.15.4協議標準制定，網絡層和應用層由ZigBee聯盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數據連接，MAC層控制數據包的物理尋址，網絡層是確定網絡傳輸路徑，應用層為應用程序服務。每層機構通過數據服務接口和管理服務接口進行相鄰層之間的通信。

3 PCB內部天線的設計

使用PCB內部天線時，為了增強系統的抗干擾能力，需要設計精準的天線長度。由CC2530芯片可以知道，系統的頻率 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：

當電磁波在其他介質中進行傳播時，可根據介質與真空的介電常數計算在介質中的傳播速度，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εeff如公式（3）所示：

由此可算出PCB天線的半波振子LHW_PCB的長度，如公式（4）所示：

設計的PCB板子的材料是FR4，該板子的介電常數為4.2，板子的厚度為1.6mm，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72.594mm，因此PCB內部天線的長度設計為36.33mm。

4 整體電路的系統設計

一個完整的ZigBee智能空調系統需要一個協調器，一個或多個路由器及許多個終端節點組成，這樣才能完成網絡的搭建，路徑的分配和數據采集及傳輸任務。基于ZigBee協議設計的外圍電路，系統框圖如圖1所示，無線智能空調系統外圍電路的結構是星狀網絡結構[4]，由一個全功能協調器（采集模塊），一個LCD液晶及溫度傳感器的測溫節點作為終端節點（傳感模塊）組成。

圖1 系統的總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

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上，通過溫度傳感器DS18B20實時監測室內溫度，然后溫度數據以無線的方式發送給采集模塊，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；也可以遠程設定空調溫度，即通過上位機進行溫度數據的設定，進而反向傳輸到傳感模塊的LCD液晶上顯示。

5 系統的硬件設計

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

設計過程中為了增加中心節點的數據存儲和處理的能力[5]，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內核，同時支持IEEE802.15.4協議的2.4GHz無線射頻單片機，該款模塊能滿足Z－Stack運行內存容量的要求[6]；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[7]；傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250 kbps，非常適合應用在智能空調上。基于CC2530模塊最小系統原理圖如圖2所示。

5.2 采集模塊的硬件設計

采集模塊主要負責建立、管理和維護網絡。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉換電路、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，所以采用電壓轉換芯片REG1117把5 V電壓轉換為3.3 V。指示燈是用來表示采集模塊是否成功建立網絡等狀態信息。采集模塊通過點播的形式發送控制指令給傳感模塊，發送的數據格式最多用5字節表示。

5.3 傳感模塊的硬件設計

傳感模塊是智能空調控制系統的終端節點。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DS18B20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對數據進行處理，為傳輸數據做好準備，通過LCD顯示出來并發送給采集模塊。上位機設定溫度后，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 電源電路設計

電源電路為智能空調系統的其他功能模塊供電，保證模塊的正常工作。模塊中，下載設備和調試設備需要5 V供電，芯片CC2530需要3.3 V供電，因此采用電壓轉換芯片進行電平轉換。為了充分滿足不同工作環境，系統采用3種供電方式：電池供電、USB供電、穩壓電源直流供電。

6 系統的軟件設計

系統集成開發環境采用IAR Embedded Workbench For C8051，在此環境下完成對CC2530程序的編程、編譯、調試，利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的下載工作。軟件設計主要采用TI公司CC2530提供支持的免費ZigBee協議軟件，以C語言為編程語言，在 Z－Stack通用模板的基礎上通過改動APP程序，來實現無線智能空調的控制。

6.1 采集模塊軟件設計

圖2 最小系統原理圖Fig.2 The schematic diagram ofminimum system

采集模塊程序包括系統初始化、信道掃描、協調器建立網絡、允許子節點接入網絡和接收節點數據等代碼程序。當系統上電后，首先初始化軟硬件，建立網絡并給每個加入網絡的節點分配ID地址，然后系統進入監聽狀態，當協調器接收到無線傳感模塊終端發送的命令時，再發送控制命令到節點就可以實現對空調溫度的控制。采集模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3 采集模塊程序流程圖Fig.3 The flow chart of the acquisitionmodule

采集模塊給多個傳感模塊分配的地址時，是按樹型結構不同層d的深度對傳感模塊進行地址分配的[8]，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是結構的最大深度；Cm是組網中能擁有傳感模塊的最多個數；Rm是組網中路由器的最多個數。

當設備地址之間的間隔為0時，說明組網中沒有路由器，因此不能接受任何傳感設備。當地址之間的間隔大于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 傳感模塊軟件設計

傳感模塊會自動加入網絡，發出綁定請求，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搜索。如果綁定成功，會每隔1 s發送溫度數據，然后再分兩個路徑分別傳遞，一是通過無線ZigBee技術傳遞給采集模塊，另一個是直接在LCD液晶進行顯示。當傳感模塊通過無線ZigBee技術接收到采集模塊發送過來的命令數據時，數據也會在LCD液晶屏上顯示。傳感模塊程序流程圖如圖4所示。

7 系統的測試結果及分析

無線智能空調外圍電路的測試結果分為兩個部分，一是上位機上顯示的每隔1 s采集的溫度數據及我們對空調設定的溫度。另一部分是通過LCD液晶顯示的室內溫度和通過無線傳輸接收到的設定的溫度，如圖5所示。

圖4 傳感模塊程序流程圖Fig.4 The flow chart of the sensormodule

圖5 測試結果Fig.5 The test results

測試結果表明：無線智能空調外圍電路控制系統能夠實現對室內溫度的實時采集，以及遠距離的無線傳輸的控制，系統具有數據精準、體積小、移植性強、傳輸距離可達20 m左右，可穿透障礙物等特點，具有廣闊的應用前景。

8 結束語

系統是基于ZigBee的無線智能空調外圍電路的設計。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無線智能空調控制系統更具有移植性強，省電，靈活小巧等優點，可以應用在很多場合，方便人們的生活。PCB內部天線的長度設計為36.33mm使抗干擾能力增強，收發數據精準。系統以無線方式進行數據的傳輸，避免了傳統排線繁瑣的缺點，更適用于當今社會的需要。

[1]童曉渝，房秉毅，張云勇．物聯網智能家居發展分析[J]．移動通信，2010（9）:16-20．TONG Xiao-yu，FANG Bing-yi，ZHANG Yun-yong.The development analysis of the internet of things intelligent household[J].The Mobile Communication，2010（9）:16-20.

[2]齊勝濤，劉翔字．國內外智能家居的研究現狀及可實現的功能分析[J]．科技信息，2011（33）:12-13．QI Sheng-tao，LIU Xiang-yu.The research status of smart home at home and abroad and realize the function of the analysis[J].Science and Technology Information，2011（33）:12-13.

[3]Gislason， Drew， Gillman.ZigBee wireless sensor networks-ZigBee is an emerging wireless protocol designed for lowcost，high-reliability sensor networks[J].Software Tools for the Professional Programmer，2004，1（29）:40-42.

[4]高守瑋，吳燦陽．ZigBee技術實踐教程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]Nan Z L，Sun G X.Design of smart home system based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2010，18（7）:117-119.

[6]敖志剛．智能家庭網絡及其控制技術[M]．北京：人民郵電出版社，2011．

[7]王小強，歐陽俊．ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M]．北京：化學工業出版社，2012．

[8]向王明．ZigBee協議網絡層的研究與實現 [J]．電子技術應用，2006，14（11）:129-132．XIANGWang-ming.The research and implementation of the network layer of the ZigBee protocol [J].Electronic Technology Applications， 2006， 14（11）:129-132.