基于ZigBee的智能家居控制系統設計

陶在紅+楊宇+常建華

摘? 要： 設計了一個新穎的智能家居控制系統，該系統以CC2530無線單片機為主控，采用ZigBee無線傳輸技術實現上下位機的通信。下位機通過各類傳感器獲得家中的溫度、濕度及電器工作狀態信息等參數，并傳送給上位機；上位機接收到信息并進行分析，把控制信號下達給繼電器控制模塊控制電器通斷。同時，上位機還能將接收到的數據通過串口傳輸到PC進行顯示和保存。經實際測試，該系統可以快速、準確地實現溫濕度測量和家用電器的監視和控制，具有低成本、高實用性的特點。

關鍵詞： ZigBee； CC2530； 智能家居； 無線通信

中圖分類號： TN911?34； TH811.2??????????? 文獻標識碼： A????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0009?04

Abstract： A new smart home control system is designed in this paper. In this system， CC2530 is used as the master control chip， and the communication between a master machine and a slave machine is realized through ZigBee wireless technology. The slave machine gathers indoor parameters on temperature， humidity and work condition of household appliances by various kinds of sensors， and sends them to the master machine. The master machine analyzes the data from slave machine and turns electrical appliances on or off by issuing a control signal to the relay control module. Furthermore， the data from slave machine can be transmitted through a serial port to PC for storage and display. The practical test indicates that the system can realize fast detection of temperature and humidity， as well as monitoring and control of household appliances. This system with low?cost and high?practicality has good promotional value.

Keywords： ZigBee； CC2530； smart home； wireless communication

0? 引? 言

智能家居控制系統就是在住宅中融合自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的網絡化智能化的家居控制系統，能為用戶提供一個更簡單更便捷的接口來操控家庭電器。比如，通過PC、手機甚至是語音控制家中的電器設備，而且可以設置一些場景規則，使多個設備基于同一場景模式進行協同工作[1?2]。另一方面，智能家居系統中的各種設備都是聯網的，可以相互通信，利用多個設備協同工作，形成一個閉環的自動控制系統。用戶只需要對其簡單設置將其初始化，便可以自動運行，這給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全[3?4]。

基于智能家居具有非常強的實用價值，本文設計了一套基于ZigBee無線通信技術的智能家居控制系統。該系統能收集家中溫度、濕度以及家用電器的工作狀態等參數，從而實現對家用電器的智能控制。系統用兩個CC2530無線單片機模塊組成上下位機。下位機連接各種傳感器，負責收集溫度、濕度和電器工作狀態等參數并發送給上位機；作為系統的控制中樞，上位機連接繼電器控制模塊，負責接收和處理下位機傳過來的數據，并把控制信號下達給繼電器控制模塊來控制電器通斷。另外，上位機還能將接收的數據通過串口傳輸到PC進行顯示和保存。

1? 系統設計和工作原理

本系統使用ZigBee無線傳輸技術，系統設計框圖如圖1所示，可分為傳感器信號發射端（即下位機）和信號處理端（即上位機）。下位機由傳感器和一個ZigBee無線單片機模塊組成，讀取傳感器的數據，然后將數據通過無線傳輸給上位機；上位機由一個ZigBee無線單片機模塊和繼電器控制模塊組成，處理和分析下位機發送來的數據，從而判斷打開或關閉自己所控制的工作電路，并且通過串口與PC進行通信。

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圖1 系統組成框圖

2? 硬件設計

2.1? ZigBee無線單片機模塊

CC2530是一款真正意義上的針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的片上系統解決方案，提供了一種可靠而又價格低廉的網絡節點構建方式。它集成了一種高性能的主流RF發射器、一款基于工業級的8051核心的微控制器、內置可編程閃存、8 KB RAM、不低于32 KB的ROM和許多其他強大的功能。CC2530有多種操作模式，以使系統更好地降低功耗，更好地滿足實際應用。操作模式間很短的切換時間也保證了非常低的能量消耗[5?6]。

2.2? 溫度測量模塊

目前常用的溫度傳感器主要有模擬式和數字式兩種。模擬式的溫度傳感器主要有PT100，它精度高，性能穩定[7]，工作溫度在-200～650 ℃之間。但是由PT100構成的溫度測量電路十分復雜，功耗和成本較大，而且普通測量對于溫度測量的精度要求并不是十分高，所以本設計選用電路較為簡單的數字式溫度傳感器DS18B20。該芯片是由美國Dallas半導體公司設計生產的一款數字式溫度傳感器[8]。溫度測量電路如圖2所示，采用DS18B20外部電源供電的方式，在DS18B20的數據總線上添加了一個4.7 kΩ的上拉電阻，這樣在這條數據線上接多個DS18B20時，也有足夠的電流驅動它們；而且其中一個DS18B20數據線短路時，該電阻也起到了限流保護電路的作用。

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圖2 溫度測量電路

2.3? 濕度測量模塊

濕度測量模塊感應部分為HS1101濕度傳感器。HS1101是一種基于獨特工藝的電容元件，濕度變化引起電容兩極板間介電常數發生變化，從而引起HS1101電容值的變化。濕度測量電路如圖3所示。555定時器構成的多諧振蕩器輸出信號的頻率，隨2端口與地之間的電容變化而變化。將HS1101接入555定時器的2端口與地之間，就將電容值轉換成了輸出信號的頻率值。利用單片機可以測出555多諧振蕩器輸出信號的頻率，根據頻率值，就可以反算出電容值以及相對濕度值。

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圖3 濕度測量電路

2.4? 電器工作狀態感應模塊

電壓感應器需要與家用電器串聯在220 V交流工作電路中，而家用電器的工作電流少則幾百毫安，大則幾安培，所以要先利用電流互感器將220 V家用電器電路的電流感應轉換為小電流。經過如圖4所示電路，輸入電流轉換為一個單片機可以測量的小電壓。設電流互感器比例系數為[m][∶][n，]二極管正向導通時兩端的壓降為[UD，]那么對于[R9]兩端電壓[U9]有以下關系：

[U9=Iin?mn?R7-2UD?R9R8+R9]

電路使用全橋整流將50 Hz交流電路轉化為直流電路，根據不同家用電器的工作電流，來調節電位器[R7]和[R9，]使得穩壓管D2處于擊穿狀態，從而獲得一個穩定的電壓[U9。]輸出端的電解電容進行了簡單的濾波，使輸出電壓更平穩。

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圖4 電器工作狀態感應模塊

2.5? 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊電路設計如圖5所示。因為CC2530輸出電流很小，無法直接驅動電磁繼電器，因此在輸出端接了一個三極管，利用共射放大電路將電流放大后送給電磁繼電器。電磁繼電器后端做了一個簡易的工作電路，工作電路工作則LED亮起。

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圖5 繼電器控制模塊電路

2.6? 串口通信電路

串口通信模塊的電路圖如圖6所示。MAX232芯片的11腳和12腳分別接CC2530芯片的P0_3和P0_2端口，這兩個端口除了作為普通I/O端口，還是CC2530的USART0串口通信接口[9]。通過設置CC2530的USART0相關寄存器，即可與電腦進行通信。

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圖6 串口通信模塊電路

3? 軟件設計

本系統軟件也分上位機軟件和下位機軟件兩部分。

下位機主程序流程圖如圖7所示。與AT89S52單片機相比，CC2530 有多個晶振，啟動之初在CPU初始化中選擇適當的晶振，然后初始化射頻功能。CC2530可以在系統時鐘之外設置定時器時鐘，使之等于或小于系統時鐘，默認狀態為等于系統時鐘。由于濕度測量時要精確定時到1 s，必須通過很多次系統中斷來完成這個定時。如果減小定時器時鐘，減少1 s內所需中斷次數，能大大提高定時精度。

上位機初始化和下位機基本一致，只是多了一個串口初始化。上位機程序讀取繼電器控制的電器工作狀態，結合從下位機處收集的溫濕度數據對繼電器進行控制，比如溫度高時打開空調，濕度低時打開加濕器等，而后將控制動作發生前的所有數據以及采取的動作通過串口傳輸至PC顯示出來。如果在PC端編寫相應軟件則可通過PC做更加有效的報警。上位機流程圖如圖8所示。

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圖7 下位機主程序流程圖

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圖8 上位機程序流程圖

4? 實驗結果

經過軟、硬件調試，系統成功地實現了溫濕度的測量和家用電器的監視和控制。

用手按住DS18B20，PC端超級終端的溫度顯示情況如圖9所示，顯示的溫度值增加。由于DS18B20是數字式芯片且可靠性非常好，工作電壓為3～5.5 V，所以在正確驅動DS18B20之后，讀取溫度值一般即為比較準確的溫度值。

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圖9 PC端超級終端溫度顯示

將濕度傳感器接入電路，朝濕度傳感器哈一口氣改變環境濕度值，PC超級終端接收到的濕度值變化情況如圖10所示，哈氣之后濕度值變高。

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圖10 PC端超級終端濕度顯示

將圖4中[R7]設定為1 kΩ，[R9]設定為50 kΩ在Multisim軟件中進行仿真，仿真結果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時間有點長，但普通家用電器不需在短時間內反復開關，所以本電路基本能達到智能家居控制系統的要求。

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圖11 仿真結果

5? 結? 語

為了實現家居的智能管理，本文設計了一種監控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數的系統。實驗證明，該系統能夠準確及時獲得溫度、濕度以及電器工作狀態各項參數，并且通過處理這些參數實現對部分家用電器的自動化控制。本系統基本完成了智能家居控制系統的設計要求，其他參數的傳感測量、控制和本系統中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應的傳感器即可。隨著物聯網技術的進一步發展，無線傳感芯片性價比進一步提高，智能家居必會帶動家用電器領域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

參考文獻

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圖10 PC端超級終端濕度顯示

將圖4中[R7]設定為1 kΩ，[R9]設定為50 kΩ在Multisim軟件中進行仿真，仿真結果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時間有點長，但普通家用電器不需在短時間內反復開關，所以本電路基本能達到智能家居控制系統的要求。

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圖11 仿真結果

5? 結? 語

為了實現家居的智能管理，本文設計了一種監控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數的系統。實驗證明，該系統能夠準確及時獲得溫度、濕度以及電器工作狀態各項參數，并且通過處理這些參數實現對部分家用電器的自動化控制。本系統基本完成了智能家居控制系統的設計要求，其他參數的傳感測量、控制和本系統中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應的傳感器即可。隨著物聯網技術的進一步發展，無線傳感芯片性價比進一步提高，智能家居必會帶動家用電器領域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

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圖10 PC端超級終端濕度顯示

將圖4中[R7]設定為1 kΩ，[R9]設定為50 kΩ在Multisim軟件中進行仿真，仿真結果如圖11所示。正弦波為[R7]兩端電壓波形，另一個波形為[R9]兩端電壓也就是最終輸出CC2530的電壓，從仿真結果可以看出，電路輸入0.5 s后輸出端電壓穩定于3 V左右，可以被CC2530讀取。雖然輸出電壓0.5 s的上升時間有點長，但普通家用電器不需在短時間內反復開關，所以本電路基本能達到智能家居控制系統的要求。

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圖11 仿真結果

5? 結? 語

為了實現家居的智能管理，本文設計了一種監控家庭溫度、濕度以及家用電器工作情況等參數的系統。實驗證明，該系統能夠準確及時獲得溫度、濕度以及電器工作狀態各項參數，并且通過處理這些參數實現對部分家用電器的自動化控制。本系統基本完成了智能家居控制系統的設計要求，其他參數的傳感測量、控制和本系統中的溫度、濕度等有很大的相似之處，附加相應的傳感器即可。隨著物聯網技術的進一步發展，無線傳感芯片性價比進一步提高，智能家居必會帶動家用電器領域的革命，使得家居生活更加便捷、美好。

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