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基于ZigBee技术的智能家居系统概要设计

发布时间:2017-12-07 09:25:00 文章来源:未来智讯    
    根据智能家居的定义,利用便携移动终端和无线网络控制方式,将CC2530构成的无线ZigBee模块、TMS320LF2407A芯片、身份识别技术和移动3G模块组成中央系统控制中心,通过移动终端、无线ZigBee网络、3G网络对智能家居各子系统进行控制,该系统可以自由添加设设备,根据要求设置场景,形成设备联动,为用户提供灵活、方便、智能的生活空间。
    【关键词】智能家居 ZigBee CC2530 3G
    通俗地讲,智能家居是融合了自动化技术、计算机网络技术和网络通讯技术的集成,是一种智能化、网络化的家居控制系统。本文是参考ZigBee技术的特点,结合成熟的3G/4G移动通信技术,设计出的智能家居系统,本系统除了基本的手动控制功能外,还可以通过组建ZigBee无线网络,使用无线遥控器、便携移动终端设备、电话或因特网来控制管理家居设备,使得生活更加方便、舒适。基于智能家居的系统定义,设计了如下系统:
    1 系统方案概要设计
    本系统由便携移动终端、中央控制器、智能家居各子系统(如智能窗帘控制、智能家电控制、智能安防控制、智能灯光控制等)和通用系统设备组成。其中便携移动终端是基于IOS/Android系统的手机或平板电脑,中央控制器是智能家居系统的核心,对各子系统的设备进行添加删除等各项管理,各子系统是具体的应用操作层,系统通用设备使子系统设备的工作范围更广,具体的系统框图如图1。
    系统的主要功能有:
    (1)通过中央控制系统软件进行系统管理,对各子系统进行添加、设置等管理。
    (2)通过监控设备或便携移动终端获得视频图像、监控信息并进行相应管理,并可在盗贼分入侵时通过短信息SMS向用户报警。
    (3)通过中央控制管理软件完成室内灯光及家电的本地控制和状态显示,如家用电器、灯光和音响的控制。
    2 系统硬件设计
    系统硬件设计包括中央控制系统、各监控子系统和通用系统设备的设计。
    2.1 中央控制系统
    中央控制控制主要功能有:(1)组建无线ZigBee网络,做为ZigBee网络的核心,按要求添加其他节点;并实现新设备的数据接收与控制。
    (2)扮演智能网关的角色,便于移动终端设备通过Internet进行远程访问和控制。
    (3)自带成熟的3G模块,可随时观察视频图像,传输速率高,永远在线,可以实时传输数据。
    (4)当有盗贼入侵室内时,接收相应的传感器报警信息发送短信信息报警。
    (5)系统单机运行时,中央控制器液晶显示当前系统运行状态,方便用户查看,并设置相应的功能键,便于手动进行相应的系统设置。
    ZigBee模块选用TI公司的CC2530芯片做为核心控制器,并组建相应的ZigBee协议栈。CC2530是标准的增强型8051 CPU,具有良好的RF 收发性能,支持支持载波监听多路访问/冲突检测,运行模式切换短,适用系统超低功耗要求。通过中央控制系统的ZigBee协议栈,在室内组建无线星型ZigBee网络,并将所有子系统设备添加到中央控制系统中,进而实现整体的无线ZigBee网络控制。
    中央控制系统MCU选择具有DSP功能的TMS320LF2407A,主频40M, 供电电压为3.3V,指令周期可缩短到25ns,提高了处理器的实时控制能力,使用芯片扩展的64K字节SRAM用作图像的缓存。与3G模块、液晶模块、ZigBee控制器和WLAN相连,构成整个控制系统的核心,完成各种操作响应。
    3G模块选用中兴的MG3732 模块,MG3732支持WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE制式,通过UART接口直接与微处理器MCU相连。液晶模块选用1602液晶、与中央控制系统MCU的通用I/O接口相连,ZigBee模块与MCU采用2线接口即可实现两者间的数据双向传输。通过MCU的LAN端口接口接入Internet,便于进行实时数据传输,系统可靠、安全。
    2.2 各子系统设计
    智能家居各子系统:如智能窗帘控制器、智能家电控制器、智能安防、智能影音娱乐系统、智能灯光控制等子系统。主要功能为:
    (1)通过无线网络或触摸控制开关控制窗帘的开启和关闭。
    (2)远程控制家电设备的开启,如下班前通过移动终端打开空调、热水器等操作。
    (3)通过电子门禁和IC卡、红外微波设备构成安防系统,有非法入侵时进行声光报警。
    (4)可根据室内环境和温度,系统选择相应的背景音乐。
    (5)通过灯光控制实现调光调色,并可结合窗帘控制器实现场景联动。在在这里我们以智能灯光控制和窗帘控制器为例。
    中央控制系统将上位机下达控制指令通过ZigBee网络发送至各子系统控制器实现,不同的子系统控制的识别码是不同的,子系统通过识别码来确认是否响应中央控制器的指令。在这里,窗帘控制器采用钢化玻璃触摸开关和ZigBee控制无线控制相结合的方式,即可手动操作,也可无线控制。
    系统采用市电供电,通过开关电源降压到12伏,整流后采用LDO HT7550 将12V电压稳压到5V给整个电路供电。触摸芯片采用国产的ADPT008,有8个独立的电容触摸通道。窗帘控制器芯片采用通用的PIC16f690单片机,采用4M晶振,芯片的10脚、12脚数据接收发送端与ZigBee模块的数据端相连,传输数据。
    灯光控制系统分为单火线控制器和零火线控制器,提供两种接线方式供用户选择,单火线控制器系统采用MO3023可控硅光耦隔离控制晶闸管BTA12-600SW导通与截止来点亮和熄灭灯。零火线控制器通过MCU控制继电器的打开和闭合来点亮和熄灭灯,最终通过ZigBee模块连接中央控制器。
         同时灯光控制器和窗帘控制器通过ZigBee网络联动形成场景控制,提前设定好相应的场景,通过场景控制器触摸开关同时控制灯光和窗帘的开合。两样,也可以与智能影音娱乐系统结合起来。
    2.3 通用系统设备
    这里通用系统设备主要指红外转换器,智能开关、智能中继器、智能红外插座,如智能红外插座是通过Zigbee模块与中央控制器通信,可远程控制接入插座的电源开关,并通过学习相关家电的红外信号实现远程控制家电的功能。
    智能插座的核心控制部分采用STC系列单片机STC11F04E,MCU接收到网关的控制指令后,发送相应的空调控制指令给红外模块。红外模块采用一体式下载型学习模块,学习遥控器按键,并接受MCU发送的控制指令向外发送红外信号。
    3 系统软件设计
    系统软件设计原则上每在中央控制器上添加一个或一类子系统设备,就需要一部分的软件程序,在这里我们系统组成图,系统软件设计主要包括以下几个部分。分别是基于IOS/android的移动终端控制程序设计、中央控制系统管理程序设计、CC2530协议栈程序设计、各子系统控制等程序设计。
    3.1 中央控制器程序设计
    首先进行系统初始化,进行初始参数设置,对各子系统进行查询和巡检,查询各子系统的工作状态,判断各子系统是否工作正常,如不正常进行错误提示并进一步对错误的子系统进行进一步设置。如系统各部分都正常工作,刚中央控制器等待用户操作或根据子系统传递的信息进行相应操作。
    3.2 通用设备智能红外插座程序设计
    首先上电初始化:进行MCU的初始化,驱动继电器使插座通电;中断等待接受网关指令。假设控制器收到网关打开空调的指令,则发送相应的红外控制码发送至红外模块,并返还控制成功的指令给网关,之后继续中断等待网关指令。
    4 结束语
    本文通过ZigBee技术和最新的移动3G/4G技术相结合实现的智能家居,进行初步的概要设计,本系统基本实现了智能家居的必备功能,搭建好了基础框架,是切实可行的,但在实际的开发过程中仍需要结合新技术、新的需要和具体应用去开发产品,在此基础上扩充和完善智能家居的系统功能。
    参考文献
    [1]王凯明.智能家居系统的研究[D].西安科技大学,2005.
    作者单位
    1郑州大学 河南省郑州市 450001
    2西安理工大学 陕西省西安市 710048
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