無線智能空調系統外圍電路的設計

楊堃

【摘要】基于Zigbee通信協議，設計了一種智能空調控制系統的外圍電路。系統以CC2530模塊為核心配置，采用DS18B20溫度傳感器、Nokia5110液晶及計算機監控系統等部件，通過上位機、單片機與傳感器三者相連，采集、存儲并控制系統的測量數據，進而實現對空調系統的遠程控制。深入研究了PCB內部天線增強系統杭干擾能力的設計。

【關鍵詞】無線智能空調系統;外圍電路;設計

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，可以隨時隨地地獲取與處理信息的消費電子產品，其重要的特征是通過Internet傳遞數字信息。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協議棧結構

ZigBee協議棧結構是由一組被稱為層的模塊組成。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。

2.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2.4GHz，光的傳播速度CO為3×108m/s，可計算真空中的波長，如公式（1）所示：λ=CO/f（1）

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εoff如公式③所示：

由此可算出PCB天線的半波振子L_{HW_PCB}的長度，如公式

（4）所示：

而單極PCB內部夭線的長度是PCB天線半波振子L_{HW_PCB}的長度的1/4，因此可算出PCB內部天線的長度，如公式（5）所示：

L_{HW_PCB}=1/4L_{HW_PCB}

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1mm，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。

3.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，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。

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遠程查看溫度池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。

4.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。

4.1 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，選用了帶有256K Flash和標準8051增強型處理器的CC2530作為核心模塊。

4.2 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3.3V，所以采用電壓轉換芯片REG1117把5V電壓轉換為3.3V。

4.3 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。

4.4 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5V供電，芯片CC2530需要3.3V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。

5.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1s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

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20m左右，可穿透障礙物等特點，具有廣闊的應用前景。

6.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使杭干擾能力增強，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。

【參考文獻】

[1]葛廣英，葛菁，趙云龍著.ZigBee原理、實踐及應用[M].清華大學出版社

[2]張小威著.ZigBee電路設計及在智能家居中的應用[D].南京郵電大學電子與通訊工程，2013