基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的智能家居節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

劉婷，李洋

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，湖南 長沙 410200）

隨著科技不斷進步，生活水平不斷提升，人們對于家居智能化有更多需求。目前，市場大部分智能家居方案存在價格較高、兼容性較差、連接節(jié)點較少的情況，導(dǎo)致智能家居普及度不高，節(jié)能性較差。針對以上情況，本文通過基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建智能家居節(jié)能系統(tǒng)，利用其傳輸信息可靠、可拓展性強和經(jīng)濟價廉等特點[1]，將人體紅外傳感器和光敏電阻傳感器相結(jié)合，可以實現(xiàn)自動識別人員，根據(jù)光照情況自動啟停家居燈具，逐步緩解電力緊缺、共享科技創(chuàng)新成果、提高智能家居節(jié)電能力，對推進節(jié)能減排共建和諧社會具有實際意義，是促進社會自身可持續(xù)發(fā)展的重要途經(jīng)。本系統(tǒng)具有成本低、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖1 所示，基于ZigBee 的智能家居節(jié)能系統(tǒng)包括以下3 部分。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

信息采集模塊：所有房間需智能控制盒，智能控制盒內(nèi)有2 個模塊：一個是信息采集模塊，即ZigBee終端設(shè)備；一個是電力控制模塊，用于控制家庭燈源供電系統(tǒng)。信息采集模塊由人體紅外感應(yīng)器、光敏電阻傳感器組成。人體紅外感應(yīng)器定期識別房內(nèi)是否有人存在，如果房內(nèi)有人，將繼續(xù)進行光敏電阻檢測，當(dāng)房內(nèi)光照較強時，數(shù)據(jù)返回給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將以下消息傳遞給電腦：有人在房內(nèi)，需要開燈。電腦收到消息后，即可與燈開關(guān)進行確認，如檢測未開燈，立刻傳輸信號開啟燈源，如檢測已開燈，則不做其他操作。

信息接收模塊：信息采集模塊將每個房間的傳感器返回的信息發(fā)給ZigBee 協(xié)調(diào)器。

信息處理模塊：協(xié)調(diào)器將信息通過串口發(fā)給PC 端或者手機端，PC 端或者手機端根據(jù)傳感器狀態(tài)可以隨時遠程遙控房間燈控系統(tǒng)[2]。

2 硬件設(shè)計

2.1 開發(fā)板設(shè)計

主控制器采用市場主流ZigBee 芯片CC2530，CCC2530 是基于 2.4 GHz ⅠEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一個片上系統(tǒng)解決方案。可以通過極低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[3]，廣泛應(yīng)用于照明系統(tǒng)、工業(yè)控制和監(jiān)控、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)、消費型電子、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。CC2530 芯片引腳如圖2 所示。

圖2 CC2530 芯片引腳

2.2 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

教室節(jié)能系統(tǒng)的終端節(jié)點負責(zé)采集各個房間的人員、光照情況，由ZigBee 協(xié)議射頻模塊CC2530、光敏電阻LM393、人體紅外傳感器HC-SR501 組成。HC-SR501、LM393 實物圖如圖3 所示。

圖3 HC-SR501、LM393 實物圖

2.2.1 人體紅外傳感器HC-SR501

人體都有恒定的體溫，約為37 ℃，因此會發(fā)出特定波長10 μm 左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10 μm 左右的紅外線而進行工作。人體發(fā)射的10 μm 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。人體紅外傳感器HC-SR501可以檢測3～7 m 內(nèi)的人員。

2.2.2 光敏電阻LM393

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。光敏電阻根據(jù)光亮強度，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電信號傳輸，也可以根據(jù)實際需要，調(diào)整靈敏度，用在各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅。

3 軟件設(shè)計

3.1 ZigBee 協(xié)議

無線自組網(wǎng)ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊[4]。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用技術(shù)[5]。ZigBee 通信協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟定義，已經(jīng)發(fā)布多個版本，其中ZigBee通信協(xié)議物理層與數(shù)據(jù)鏈路層是基于ⅠEEE 802.15.4 標(biāo)準，路由層、網(wǎng)絡(luò)層是由ZigBee 聯(lián)盟定義。ZigBee技術(shù)具有大規(guī)模組網(wǎng)能力，最高支持65 535 個節(jié)點組網(wǎng)。

本文系統(tǒng)設(shè)計中主要應(yīng)用ZigBee 技術(shù)中的2 種類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點、ZigBee 終端設(shè)備節(jié)點。

3.2 人體紅外/光敏電阻傳感器部分代碼

人體紅外讀取函數(shù)的功能是讀取房間內(nèi)人員活動情況，當(dāng)房間有人時，引腳電平為1，光敏電阻傳感器讀取函數(shù)的功能是讀取房間內(nèi)光線情況，當(dāng)房間光線較暗時，引腳電平為1。ZigBee 終端節(jié)點設(shè)備將采集數(shù)據(jù)發(fā)給ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點，在有人且光線較暗時，自動將房內(nèi)燈光系統(tǒng)打開。關(guān)鍵代碼如下：

3.3 實驗現(xiàn)象

智能家居節(jié)能系統(tǒng)主要包含ZigBee 節(jié)點軟件和電腦端控制軟件2 個部分，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計。

ZigBee 節(jié)點包括ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端節(jié)點。ZigBee 終端節(jié)點部署在各個房間，終端節(jié)點設(shè)備接人體紅外傳感器、光敏電阻傳感器、電源線，主要功能為應(yīng)用傳感器采集房內(nèi)人員、光線情況，并通過電力控制模塊控制房間燈源供電系統(tǒng)。ZigBee 協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，主要功能是與ZigBee 終端設(shè)備節(jié)點進行無線通信，同時通過串口數(shù)據(jù)傳輸將收到的傳感器采集數(shù)據(jù)上傳至電腦端，設(shè)備只需連接電源線，安裝對應(yīng)串口驅(qū)動程序，連接電腦。協(xié)調(diào)器作為整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備，起到組件和維護的功能，即使出現(xiàn)部分房間終端節(jié)點故障，也能夠在30 s 內(nèi)完成重新組網(wǎng)。各個房間采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)給PC端或者手機端，根據(jù)采集情況，自動控制房間燈源供電系統(tǒng)，同時PC 端或者手機端也可以直接遠程控制房間開關(guān)燈[6]。實物圖如圖4 所示。

圖4 實物圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于ZigBee 開發(fā)板、人體紅外傳感器、光敏電阻傳感器采集房間人員及光線信息，通過無線傳輸，實現(xiàn)智能家居節(jié)能系統(tǒng)的自動控制，在節(jié)能效率、節(jié)能成本方面有較大優(yōu)勢，能夠提高智慧家居自動化管理能力。系統(tǒng)運行效果顯示，該設(shè)計方案有效可行，具有一定的應(yīng)用價值。