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基于ZigBee通讯的智能家居抑制系统

发布时间:2018-11-22 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    基于ZigBee通讯的智能家居抑制系统作者: 卢子青   高庆云 天津职业技能师范大学研讨生部   【摘 要】本文主要介绍智能家居抑制系统各局部软硬件设计。智能终端以STM32系列单片机为核心,配置相应外围电路,移植μC/OS-II内核,编程实现对家庭网络内部其他节点的远程抑制,并移植μC/GUI以提供人机交互界面。温度、灯光抑制节点以ATMega16单片机为抑制核心,实现对温度和灯光亮度的数据采集,使用ZigBee通讯模块将采集数据上传给智能终端。抑制节点可根据接收的下令或自行与设定值对照,再抑制执行装置,以达到改变室内温度和灯光强弱的目的。
  【关键词】智能家居 ZigBee通讯 μC/OS-II STM32单片机
  【中图分类号】TP315 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2013)23-0196-02
  一 引言
  智能家居是以住宅为平台,利用先进的计算机技能、自动抑制技能、网络通讯技能和综合布线技能,通过统一的网络总线和抑制平台将家庭的电器设备抑制系统、灯光抑制系统、平安抑制系统、能源管理系统等子系统有机地联合在一同,统筹管理,提供兼备建筑设备、网络通讯、信息家电等设备自动化。本文设计智能终端(家庭网关)、温度抑制节点和灯光抑制节点,利用具有低功耗、低成本、短时延、大网络容量、高可靠性等特点的ZigBee无线通讯技能实现家庭内部网络的抑制,为家居智能化提供了一种有据可循的实现方案。
  二 系统整体结构
  系统整体结构是由智能终端、温度抑制节点和灯光抑制节点三局部组成的闭环抑制系统,各局部通过ZigBee无线通讯模块传送数据。其中,温度和灯光抑制节点都具有数据采集能力,既能够将采集数据打包后上传给智能终端,也能接收智能终端下发的执行下令。智能终端将两个抑制节点上传的温度和灯光数据汇总后,与设定值进行对照,所得结果以无线方式发送给各抑制节点,抑制节点在接收到下令后会自行判断是否启动相应的执行机构调节环境温度和灯光亮度。智能终端还配有人机界面用以显示采集数据,同时,也为用户设定系统参数提供了便利。
  三 硬件平台设计
  1.智能终端的硬件电路
  智能终端以意法半导体(ST)公司研发生产的32位微抑制器STM32F103VBT6为核心,增加ZigBee通讯模块、SD卡、LCD抑制器、触摸屏等外围电路,实现无线通讯、数据存储和人机交互等功能。
  ZigBee无线通讯模块。使用单芯片(SoC)解决方案实现ZigBee无线通讯。以TI公司生产的CC2530芯片为核心,外接32MHz和32.768KHz震荡晶体分辨为芯片提供事务主时钟和精确定时时钟,通过USART与MCU进行数据传输。这种解决方案可以提高本能并满足以Zigbee为基础的2.4GHz ISM波段应用,以及对低成本、低功耗的要求。
  LCD接口电路。选取标准接口TFT 型37线LCD,抑制器为ILI9320。3.3V供电电压,使用DB0-DB7、DB10-DB17共16根数据线与MCU进行通讯,ILI9320的片选端、背光抑制引脚、写抑制引脚均与MCU的GPIO连接,调用指令代码实行硬件抑制。
  触摸屏模块。选取四线制电阻式触摸屏。X+X-Y+Y-四个引脚直接与MCU的ADC接口连接,ADC将触摸屏采集到的模拟信号量转换为数字信号量,MCU读取ADC的寄存器值进行处理以确定触摸屏被按下的位置。
  SD卡接口电路。如果MCU的片内Flash容量不够大时,可使用SD卡来存储数据,通过MCU的SPI2总线与之通讯,SD卡作为SPI从机。
  电源模块。系统供给电压为标准5V,经AMS1117芯片降压到3.3V后供给MCU和CC2530使用。为提高ADC转换精度,连接独立的外部参考电压到MCU的VREF+引脚,提供模拟基准电源。
  复位和时钟模块。通过在MCU的NRST引脚外接手动开关(外部复位),接低电平实现一次系统复位。
  连接8MHz的石英晶体振荡器到MCU的SOC_IN引脚,为之提供更精确的主时钟;同时,连接32.768KHz频率的手表晶体振荡器至OSC32_IN引脚,为MCU的实时时钟或其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。
  2.温度/灯光抑制节点
  温度与灯光抑制节点的硬件电路设计相似。以8位单片机ATMega16为抑制核心,连接若干外围电路实现数据采集和对执行装置的抑制,且均保留了手动抑制。
  温度抑制节点使用Dallas半导体公司生产的单线数字温度传感器DS18B20检测室内温度,并通过ZigBee无线通讯模块将采集数据发送给智能终端,再根据智能终端下发的下令抑制执行装置(散热器),使室温保持在设定值范围内恒定不变。
  灯光抑制节点是根据光线的强弱,来抑制灯光的强度,可实现三个功能,软启动功能:开灯时,灯光由暗逐步变亮;关灯时,灯光由亮渐渐变暗,避免亮度的忽然变化冲击视觉。灯光调节功能:能够利用本地开关来进行光线明暗的调整,也能够利用智能终端或遥控器调整。全开全关功能:整个照明系统能够实现一键全开和一键全关的功能。
  使用光敏电阻实现灯光的采集,将阻值变化转换为电压变化,连接至MCU的ADC接口将模拟量转换为数字量,发送到智能终端。MCU再根据智能终端下发的下令调整PWM占空比,输入PT4115绿色照明LED驱动电路,抑制灯光的强弱。
  四 系统软件设计
  1.智能终端的程序设计
  μC/OS-II是完全可剥夺型的实时内核,即μC/OS-II老是运行就绪条件下优先级最高的任务;它的各种服务都以任务的形式出现,能够管理64个任务,留给用户的应用程序最多可有56个任务;μC/OS-II源码绝大局部都是用ANSI C编写,惟有与微处理器硬件相关的局部使用汇编语言编写。
  智能终端的软件设计包括一个主函数和两个任务。在MCU主时钟稳定事务后,最初调用OSInit( )初始化系统,包括初始化停止向量和USART、使能端口时钟、初始化LCD和SD卡;然后调用OSTaskCreateExt( )和OSTaskCreate( )创建AppStartTask_1和AppStartTask_2这两个任务;最终,调用OSStart( )启动任务。
  其中,AppStartTask_1主要负责读取ADC转换的触摸屏数据和Zigbee接收的采集数据,并进行处理,一方面用于LCD显示,另一方面用于决策下发的命名。AppStartTask_2最初绘制LCD显示所需的图形框,之后进入死循环,不停判断是否有数据要更新,当检测到数据更新后立即刷新显示区。还负责设定值的更新,当设定值改变后通过Zigbee无线通讯模块,转发给温度/灯光抑制节点。
  2.抑制节点的程序设计
  温度/灯光抑制节点不但能够将采集数据上传给智能终端,等待其下发的执行下令,还能够与用户手动设定值进行对照,从而抑制执行装置的动作,组成独立的闭环抑制系统。两个抑制节点的程序设计相似。
  五 结束语
  本文设计的智能终端和温度/灯光抑制节点已实现家庭内部网络的无线通讯,可对温度和灯光进行远程智能抑制。本设计方案还可进一步改进硬件电路和软件系统的设计,以降低各模块的电能消耗,并提高整个系统无线通讯的可靠性。
  参考文献
  [1]周洪、胡文山等.智能家居抑制系统[M].北京:中国电力出版社,2005:2~3
  [2]尚丽丽.基于ZigBee的智能家居系统设计[D].大连理工大学,2010
  [3]范书瑞、李琦、赵燕飞.Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011:50~58
  〔责任编辑:庞远燕〕
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