基于嵌入式的Zigbee無線傳感智能家居系統硬件設計

文/楊淳清

1 系統設計需求及方案

本系統的設計意在解決家居系統遠程遙控及狀態監測問題，用戶可通過智能手機上的APP軟件實現對智能家居系統中各傳感終端部件的遠程遙控，并根據狀態和需求設置參數，實現對家居內環境、電器、報警子系統的監控。基于上述設計需求，本系統將整體的硬件模塊設計分為外網環境硬件部分和室內家居終端傳感監測節點兩部分。

1.1 外網環境硬件部分

主要由CC2530無線傳感協調器、外網環境監測硬件電路板、電源和網關模塊構成，實現對室內家居采集信號的綜合處理，并搭建起遠程云平臺與室內家居終端傳感監測節點之間通訊的渠道。

1.2 室內家居終端傳感監測節點部分

由消防報警硬件節點、室內環境硬件節點、家電控制監測節點、CC2530終端、電源模塊等構成，實現對家居內環境和電器運行狀態的監測和數據通訊。

2 系統硬件模塊選項及設計

2.1 CC2530無線傳感中控模塊

CC2530是目前國內通用的無線傳感Zigbee芯片，其內部配備了2.4GHZ的高頻收發器及1顆工業級8051內核微處理器，能夠直接用于對傳感檢測信號的收發處理和微處理運算。在具體的設計中，選用CC2530作為本系統的中控核心芯片，主要功能端口的硬件設計分布為：P1.1為消防報警信號輸入口，P1.2為溫濕度檢測信號輸入口，P0.1為室內空調電器控制繼電器信號輸出口，P0.2為聲光報警模塊控制繼電器信號輸出口。

2.2 室內環境傳感模塊

本系統能夠實現對室內家居溫度和濕度信號的采集和傳輸，以為后期的室內溫濕度智能控制提供依據。為此特選擇溫濕度傳感器DHT22為室內環境傳感模塊的核心器件。DHT22是一款復合式溫濕度傳感器，內含電容式感濕元件及NTC感溫元件，具有體積小、功耗低等特點，它的溫度測量范圍為-40---80度，濕度測量范圍為0---100%RH，具體的電路模塊設計策略為：DHT22的2腳連接CC2530的WSD引腳，1腳連接3.3V直流電源端，4腳接地，3腳空置。圖1為室內環境傳感模塊的硬件電路圖。

2.3 消防報警傳感模塊

該模塊的功能用于實時監測家居室內的煙霧濃度，并根據預設好的閥值進行報警提示或靜默運行，以提升用戶室內煙霧濃度是否超標，以此作為消防報警系統是否運行的參照。具體元件選擇上，采用MQ-2煙霧濃度傳感器為核心，該傳感器共4個引腳，其中2個用于檢測信號的傳輸，2個用于電源和地線的連接，結構簡單，成本低廉，能夠實現對煙霧、液化氣、酒精揮發氣體的檢測。該模塊的電路設計策略為：MQ-2輸出端OUT與LM358的IN-腳相連，用于輸入采集到的室內煙霧信號；LM358的IN+與可調電阻連接，OUT端輸出室內煙霧檢測處理信號，送入CC2530P1.1引腳，實際工作中可通過調節可調電阻的阻值來調節整個消防報警電路的檢測靈敏度。

2.4 家用電器智能控制模塊

本系統的家用電器智能控制模塊主要包含三個部分，分別是空調控制電路模塊、消防報警噴淋電路模塊和聲光報警電路模塊，三個部分電路均以繼電器為控制核心，以空調控制電路模塊為例闡述設計思路：溫濕度傳感器DHT22實時采集室內的溫濕度信號，并將采集到的信號反饋給CC2530的WSD引腳，CC2530將采集信號與用戶預設信號進行比較，倘若采集信號超過預設閥值，CC2530的P0.1腳便向空調控制電路繼電器發送高電平信號，以開啟空調。消防報警淋浴電路和聲光報警電路模塊的控制原理與之類似，此處不再累述。

圖1：室內環境傳感模塊電路圖

3 系統硬件測試環境

系統無線傳感網絡的通信性能如何，直接決定了本系統在實際運行中的精確性。在具體的測試中，主要以測試CC2530協調器與主模塊終端之間的數據傳輸能力為準，并以終端和協調器之間的數據包接收成功率為依據，檢測整個ZigBee無線傳感模塊的網絡通信性能。具體的測試環境為：

（1）獨門獨院的3層樓別墅，建筑面積570平方米，終端模塊、網關模塊和WIFI路由器放置在1樓客廳，1-3層各房間放置相應的協調器模塊。

（2）客廳環境：面積103平方米，僅有一些家具、家電障礙物。

（3）2樓主臥室環境：面積20平方米，與1樓終端模塊的直線距離30米，中間有厚0.5米的1層水泥天花板以及各類家具、家電障礙物。