基于Xbee的智能窗控制系統設計

張 強，趙石磊

(哈爾濱理工大學，哈爾濱150036)

1 引言

近年來，物聯網技術的飛速發展極大促進了我國社會信息化的發展，人們也越來越享受高科技給生活帶來的便利。人們對住宅的智能化需求程度越來越高，迫切需要住宅的智能化程度更高、環境更舒適、更安全可靠。作為智能家居系統子系統之一的智能門窗，是在傳統門窗的基礎上，綜合利用傳感器技術、計算機技術、現代通訊技術和自動控制技術等，實現門窗各種信息的采集、傳輸、處理和控制。

所設計的智能窗控制系統是以ZigBee技術、GSM技術、傳感器技術為基礎而實現的，既能根據風雨、盜情、室內煙霧狀態自動開關窗體，還能實現戶主的手機短信控制窗體，并且能夠實時了解窗體的運行狀態，為人們提供安全、便利舒適的生活環境。

2 系統硬件設計

系統主要分為3個部分，即中心控制模塊、傳感器模塊及執行機構模塊。傳感器模塊負責采集必要的室內外環境信息并返回給中心控制模塊;中心控制模塊對返回的信息進行分析、處理，并發出指令給執行機構模塊;執行機構模塊根據中心控制模塊的指令執行相應的動作。

各個模塊的具體實現如下:

(1)中心控制模塊:中心控制模塊的系統框圖如下圖1所示。

圖1 中心控制模塊框圖

單片機:采用飛思卡爾公司的8位單片機MC9S08GB60，它是一款低功耗，高性能的單片機，片內含8kb可反復擦寫只讀程序存儲器(ROM)和256kb隨機存取數據存儲器(RAM)，MC9S08GB60單片機在電子行業中有著廣泛應用。

GSM模塊:采用西門子公司生產的TC35i模塊，工作頻段為雙頻，且GSM網覆蓋范圍廣泛，并具有較低的誤碼率和極低的成本。GSM模塊通過串行總線RS232與單片機連接，向用戶提供標準的AT命令接口，方便用戶的應用開發及設計。

ZigBee模塊:采用DIGI公司的ZigBee產品—XBee，XBee具備諸多功能特性，其單點覆蓋距離跟據其版本不同，輸出功率不同而不同。具備自動網絡擴展功能，聯網時間短，僅30ms即可完成。而且，其工作模式通過AT指令進行設定，操作較為簡單易學，用戶可以通過自身項目需要建立相應的網絡數據傳輸關系。

中心控制模塊的Xbee模塊與傳感器模塊以及執行模塊的Xbee組成星形網絡并作為協調器，負責接收來自傳感器模塊的傳感數據，并將指令發送給執行機構。

(2)傳感器模塊:傳感器模塊的系統框圖如下圖2所示。

圖2 傳感器模塊框圖

單片機:采用與中心控制模塊相同的單片機，即飛思卡爾公司的8位單片機MC9S08GB60，負責采集各個傳感器數據、對數據進行簡單處理、通過Xbee模塊將數據發送給中心控制模塊。

ZigBee模塊:使用Xbee模塊，此模塊作為Xbee網絡的一個節點，與協調器組成星狀網絡;與傳感器的控制單片機使用RS232相連接，負責將單片機發送過來的傳感器數據發往Xbee協調器，即中心控制模塊的Xbee。

溫濕度傳感器模塊:采用國產DHT11數字式溫濕度傳感器，其與傳感器模塊的控制單片機通過單總線相連(I/O口)。

紅外傳感器模塊:采用HC－SR501人體紅外傳感器模塊;其使用簡單，通過I/O口與單片機相連。

煙霧傳感器模塊:采用對CO氣體、天然氣、液化氣、城市煤氣和煙霧有較好靈敏度的MQ－2型氣體煙霧傳感器，其靈敏度高，使用方便。

(3)執行機構模塊

單片機:采用飛思卡爾公司的8位單片機MC9S08GB60，負責接收中心控制模塊的Xbee模塊發來的控制信號，并控制執行機構執行相應的動作。

執行機構:即窗體開關器，采用的是電動螺桿式開窗器，通過繼電器控制。

ZigBee模塊:使用 Xbee模塊。此模塊作為Xbee網絡的一個節點，與中心控制模塊的協調器組成星狀網絡;與執行機構模塊的控制單片機通過RS232相連接，負責將中心控制模塊發送過來的命令發往執行機構模塊。

3 軟件設計

(1)中心控制模塊

負責接收Xbee模塊的各種傳感器數據，按照優先級，主要包括以下幾個部分:

接收紅外傳感器數據，判斷窗體附近是否有盜情出現，若有，則立即將窗門關閉，同時發送報警短信到用戶手機上，告知用戶有盜情發生。

接收煙霧傳感器數據，判斷是否超過設定閾值，若超過，則立即將窗門打開，同時發送報警短信到用戶手機上，告知用戶室內有煙霧產生。

接收溫濕度數據，若超過設定閾值，則將窗門關閉，同時將關窗動作及原因發送告知信息到用戶手機上。

判斷是否收到來自戶主手機的短信控制開關窗戶的指令，并執行相應的開關窗動作。其主程序流程圖如圖3所示。

(2)傳感器模塊

單片機與DHT11之間的通訊，采用單總線方式，DHT11不主動進行溫濕度采集。單片機發送開始信號后，DHT11轉換為高速模式，單片機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，并觸發一次信號采集，隨后送出完整的40bit數據(包括溫度和濕度數據)。

單片機與人體紅外傳感器模塊之間采用I/O口直接連接方式，當紅外傳感器模塊檢測有人時，輸出為高電平，無人時為低電平。

煙霧傳感器通過ADC與單片機相連接，將檢測到的煙霧信號轉換為相應的電壓信號再經ADC傳入單片機內部。可直接使用MC9S08GB60單片機內嵌的ADC模塊來完成。

圖3 中心控制模塊軟件流程圖

圖4 傳感器模塊軟件流程圖

4 結束語

文中使用單片機、GSM模塊、傳感器等器件實現窗體的智能控制。經過調試后，智能窗系統很好地完成了設計要求。另外，本設計方案還可以推廣應用到大部分家用電器上，比如電燈、洗衣機、電冰箱等電氣的手機短信控制上，具有廣闊的技術應用與產業化前景。

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