基于ZigBee的智能空調溫濕度控制系統的設計

朱寶旺 秦聰 孫浩 趙樹磊

【摘 要】針對傳統家居空調設備溫濕控制智能化程度低的問題，開發了基于ZigBee的智能家居溫濕度控制系統，從移動控制器和溫濕度調節設備控制終端兩方面介紹了系統的硬件設計，滿足了舒適度的智能控制需要，節約了能源的消耗。

【關鍵詞】溫濕度控制系統;ZigBee;單片機

中圖分類號： S625;TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.047

【Abstract】In view of the low intelligence of traditional home air conditioning equipment，the temperature and humidity control system is developed.The ZigBee-based smart home temperature and humidity control system is developed.The hardware design of the system is introduced from the two aspects of the mobile controller and the temperature and humidity control equipment control terminal.The intelligent control of the degree requires energy consumption.

【Key words】Temperature and humidity control system;ZigBee;Single chip microcomputer

0 引言

在溫濕度控制領域，人們已經不滿足單純地調節溫濕度這一功能，并且隨著智能化的深入發展，人工智能已然成為科技發展的前沿[1-3]。人們希望居住的家庭環境可以實現溫濕度的系統化、智能化的控制，做到有人的環境下實現溫濕度的自我控制，使所處室內環境的溫濕度達到相對適宜舒適生活的狀態。本系統把控制技術、電子技術和網絡通訊技術集成于一體，目的在于解決傳統的溫濕度控制分散，且無法達到系統化管理、設備無法通過溫濕度感應來實現自我運行的問題。傳統空調的性能調節需要人為地去設定其工作狀態，無法達到人們所追求的智能化要求，對于老人來講，性能調控有些困難。

1 系統的總體結構

在智能空調溫濕度控制系統中，受到環境、成本以及設備等因素的限制，選用了成本低，功耗低和網絡容量大的ZigBee網絡組網方式。控制系統由單片機控制部分和空調控制終端組成，根據不同的控制協議和控制硬件，對空調的通斷電、空調工作的模式做出精確地設置和管理。

硬件控制系統以STC51單片機為核心[4]，外接有ZigBee通訊模塊，多個室內溫濕度感應模塊，多個紅外感應模塊，LCD顯示器、一個室外溫度傳感器以及其他輔助電路組成，具體如圖1所示。

單片機為本控制系統硬件部分的核心，負責對室外溫度采集模塊以及室內溫濕度模塊采集到的數據進行處理、溫度濕度的顯示以及控制ZigBee模塊等功能。溫濕度感應模塊和紅外感應模塊分散在客廳和臥室，紅外感應模塊用于確定房間內是否有人，從而確定空調是否要工作;溫濕度感應模塊用于對房間內的溫濕度做出監測，將數據傳送給單片機，根據設定條件，單片機判定空調是否要房間內的溫濕度做出響應;LCD顯示器用來顯示各溫濕度模塊監測到的實時的溫度和濕度;所有的響應信號都由ZigBee模塊發出和接收。室外溫度采集模塊，根據室外溫度從而確定空調所處的工作模式，判定出當前所處的季節，從而確定空調是工作在制冷還是制熱模式下。室內溫濕度采集模塊將采集到的數據傳遞給單片機。

2 移動控制器硬件設計

根據實際應用的需要，控制器采用體積小、性能高、功耗低和可靠性高的嵌入式系統。單片機采用STC15系列的STC15F2K60S2LQFP44芯片，STC15具有低功耗、大容量的Flash存儲器，具有10萬次以上的擦寫次數;單片機內部只有4096B的RAM，根據設計，為增大單片機的存儲容量，設計需要在外部增加一個62256的SRAM芯片以達到外部擴展存儲器的目的。該擴展SRAM芯片用于存放嵌入式系統，應用程序或者掉電后需要在系統中保存的數據。

ZigBee通信模塊選用以CC2530射頻芯片為核心的通信模塊，完成系統的信息的接收和發送，本模塊共有四個端口，有8種波特率可供選擇，由于本設計針對的是居家環境，該模塊總共具有16個頻道，每個頻道在工作過程中互不影響，在工作過程中遠遠滿足了設計的需求。

室外溫度采集模塊是以AD590為核心，采集到的溫度信號經過AD590轉換成線性的電信號，經過OP07組成的較高精度的低漂移放大電路的放大作用，作為ADC0809的輸入信號，ADC0809將模擬信號轉換為數字信號，并傳遞至單片機系統。

室內溫濕度感應模塊采用SHT11數字溫濕度傳感器，具有GND、VCC、DATA和SCK四個端口，VDD和GND之間可增加一個用于去耦濾波的100nF的電容。當SCK時鐘為1時，DATA翻轉為0，緊接著SCK變為0，之后SCK為1時，DATA也為1。

人體紅外感應模塊重復觸發方式，即感應輸出高電平后，即輸出1之后，如果該范圍內繼續有人存在，輸出將一直保持高電平，直至人離開感應范圍，高電平變低電平。并且該模塊可以有效的避免寵物、電磁和強燈光的干擾，可以準確識別出房間內有無人的活動，間接實現開關控制的目的。

報警模塊，當空調出現故障時，空調控制終端會回傳信息，在單片機系統內預設空調故障的相關代碼會在LCD顯示器上顯示出來，同時單片機會驅動相關連接口，使蜂鳴器報警。

3 空調控制終端硬件的設計及空調控制

空調控制終端用于接收控制器發出的指令，控制空調通斷電，并根據控制終端發出的信號，來實現空調功能的自我設定。由控制器發出信號確定空調的工作模式。為實現相關功能，我們選用CC2530芯片作為處理器。CC2530的選用既可以實現ZigBee通信，又可以控制空調的工作。該控制終端控制空調的原理如圖示。

電磁四通換向閥是空調必須具備的器件，其主要由主閥、控制閥及毛細管組成，主閥，即四通氣動換向閥，由滑塊、活塞組成活動閥芯，閥體兩端有可使毛細管與閥體內空間連通的通孔;控制閥由電磁導向閥和電磁線圈組成;主閥和控制閥通過三根或者四根導向毛細管連接。控制接收終端接收到來自單片機控制系統發來的信號，經過OP07放大器的處理，來驅動電磁四通轉向閥上的繼電器開關和換向閥工作，從而達到控制溫度的目的。

4 總結

對基于ZigBee的智能空調溫濕度控制系統的硬件設計，突破了傳統的空調運行的獨立性，達到了空調運行的系統性，使整個系統的運行不需要人的干預，真正做到了智能化，實現了軟硬件的結合。該系統的成功應用，不僅在節能等方面具有非常好的效果，而且在很大程度上方便了人們的生活，提高了生活的舒適度。

【參考文獻】

[1]雄偉，王嶺娥，谷學靜.基于ZigBee的智能家居燈光控制系統的設計[J].山西建筑，2010，36（7）：219-220.

[2]黃隆勝，楊漢祥.基于AT89S52的智能空調控制系統的設計[J].科技廣場.2008，（10）：186-188.

[3]馬齊飛，陳富軍.基于ZigBee的智能家居控制系統設計[J].天中學刊.2012，27（2）：30-32.

[4]徐愛鈞.STC15單片機C語言編程與應用.北京：電子工業出版社，2016.