摘 要:在介紹了ZigBee技術(shù)的興起背景及優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討了ZigBee無線技術(shù)在家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,并給出了一套基于ZigBee和紅外技術(shù)的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以CC2430為核心控制器并結(jié)合紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外遙控型家電的兼容,能夠監(jiān)測(cè)家居環(huán)境并控制多種類型終端家電。測(cè)試表明:在250 m2的房間里,該系統(tǒng)的ZigBee信號(hào)能有效覆蓋。系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng),可靠性高,具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:家居監(jiān)控; ZigBee; 紅外; CC2430
中圖分類號(hào):TN911-34; TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0039-03
System of Home Monitoring and Controlling Based on ZigBee and Infrared
ZHOU Li-chao, XU Xue-mei, LI An, WANG Qing
(School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The background and advantages of ZigBee are introduced. The applications of the home monitoring system based on zigBee wireless sensor networks were discussed. A new scheme of the home monitoring system is presented. The design and development of the software and hardware of the proposed system are given. By use of CC2430 as the core controller and achieving compatibility of appliances which are controlled by infrared, the system can monitor home environment and control kinds of appliances .It is shown that the system can effectively covers ZigBee signal in the 250-square-meter room. With strong scalability and high reliability, this system will owns very broad application prospects of the market.Keywords: home monitoring; zigBee; infrared; CC2430
0 引 言
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)之一。ZigBee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名,主要用于解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[1]。而紅外技術(shù)因興起早、技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)先在家電遙控市場(chǎng)先入為主,當(dāng)前家電遙控基本都采用紅外。
基于ZigBee與紅外技術(shù)的無線家居監(jiān)控系統(tǒng),采用便捷、易擴(kuò)展、低成本、低功耗方案實(shí)現(xiàn)家居的無線監(jiān)控。本系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將收集的信息傳送到監(jiān)視主機(jī),監(jiān)視主機(jī)可通過“網(wǎng)關(guān)-CC2430無線模塊-學(xué)習(xí)型紅外模塊”發(fā)出命令控制當(dāng)前的紅外遙控的家電,也可通過“網(wǎng)關(guān)-CC2430無線模塊”[2]實(shí)現(xiàn)對(duì)未來ZigBee控制型家電的控制,從而以便捷、低成本的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的照明、溫/濕度、安全和電器的智能監(jiān)控。另外,只需將監(jiān)視主機(jī)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)便能實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
本文重點(diǎn)介紹基于ZigBee技術(shù)的遙控家電與現(xiàn)行常用紅外遙控家電的兼容[3]和集成及對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]等方面的研究,最終實(shí)現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居[5]。針對(duì)ZigBee技術(shù)本身的低功耗、低成本和低時(shí)延、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì),保證了信息傳輸和反饋的及時(shí)性,并提高了家電遙控設(shè)備系統(tǒng)擴(kuò)展的整體性能。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)組成如圖1所示,監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)視節(jié)點(diǎn)、傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)[5]、紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點(diǎn)。監(jiān)視節(jié)點(diǎn)能夠建立并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)[6],同時(shí)負(fù)責(zé)與監(jiān)控主機(jī)的通信。一旦監(jiān)控主機(jī)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)即可升級(jí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集家庭光照、溫度、空氣質(zhì)量等環(huán)境信息。紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點(diǎn)可根據(jù)采集的信息通過紅外線實(shí)時(shí)控制空調(diào)、燈光等傳統(tǒng)紅外型家電,而對(duì)于未來的ZigBee控制型家電,通過CC2430模塊便可實(shí)現(xiàn)兼容控制。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 CC2430無線收發(fā)模塊
CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案,它結(jié)合一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆小巧高效的8051控制器。圖2為CC2430的一種典型應(yīng)用電路[7]。該電路使用了一個(gè)非平衡天線,這樣可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341,L321,L331以及一個(gè)PCB 微波傳輸線組成,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個(gè)32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成;32.768 kHz的晶振電路由1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個(gè)電容(C441和C431)構(gòu)成。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
圖2 CC2430典型硬件應(yīng)用電路
2.2 傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)采用CC2430作為微處理器,采用DS18B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質(zhì)量傳感器探測(cè)家居環(huán)境情況。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路
2.3 紅外控制節(jié)點(diǎn)
紅外控制節(jié)點(diǎn)以CC2430作為微處理器,采用一體化的紅外接收頭接收紅外信息,以24C64作為存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)學(xué)習(xí)到得紅外編碼,考慮到紅外發(fā)射的距離和有效性,電路紅外發(fā)射管加入了2個(gè)三極管進(jìn)行兩級(jí)發(fā)大。紅外收發(fā)部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 紅外收發(fā)模塊
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)
監(jiān)視節(jié)點(diǎn)既要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù),包括新節(jié)點(diǎn)的加入和原有節(jié)點(diǎn)的退出管理[8];也要讀取并處理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息:讀取溫度、光敏、空氣質(zhì)量傳感器的信息并作出相應(yīng)的反應(yīng);還要發(fā)送控制命令到控制節(jié)點(diǎn):根據(jù)通過傳感器讀取的居室信息控制相應(yīng)的家電。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示。
3.2 傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質(zhì)量傳感器的驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫,限于篇幅在此不作過多闡述。
3.3 紅外控制節(jié)點(diǎn)
紅外信號(hào)的接收和編碼發(fā)射是紅外控制節(jié)點(diǎn)的研究重點(diǎn),處理思想是:不管遙控器編碼[9]是什么格式,把原遙控器所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量并緩存,對(duì)緩存高低電平、時(shí)寬等特征參數(shù)進(jìn)行分析并識(shí)別分類,對(duì)提取系統(tǒng)碼及參數(shù)進(jìn)行編號(hào)存儲(chǔ),當(dāng)需要發(fā)射時(shí),再讀出儲(chǔ)存器內(nèi)系統(tǒng)碼與特征參數(shù)并附加上用戶的操作碼發(fā)射出去。此方式的工作過程分以下幾步完成:對(duì)原始發(fā)射信號(hào)波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號(hào)、存儲(chǔ)信號(hào)、發(fā)射信號(hào)。
圖5 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
紅外信號(hào)接收流程圖如圖6所示。接收信號(hào)波形的測(cè)量,需采用較高速主控制芯片,對(duì)原始信號(hào)的進(jìn)行精密采集,同時(shí)采用了比較大的RAM作為信號(hào)的緩存。分析判別信號(hào)主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析,比如對(duì)信號(hào)的發(fā)送周期、引導(dǎo)碼電平時(shí)間、數(shù)據(jù)編碼高低電平的時(shí)間、編碼位數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析,判斷出編碼類別,提取出特征參數(shù)便于下一步的存儲(chǔ)。
紅外信號(hào)發(fā)射流程圖如圖7所示。
圖6 紅外信號(hào)接收流程圖
圖7 紅外信號(hào)發(fā)射流程圖
信號(hào)還原發(fā)射是根據(jù)編碼類型查表率獲得特征參數(shù),再調(diào)用發(fā)射函數(shù)將存儲(chǔ)的系統(tǒng)碼附加上用戶的操作碼調(diào)制發(fā)射出去。
4 結(jié) 語
目前,市場(chǎng)上基于ZigBee技術(shù)的家居電器[10]還只處在設(shè)計(jì)或者小范圍生產(chǎn)的階段,而紅外遙控型家電占據(jù)著大部分市場(chǎng)。著眼于ZigBee本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和未來發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合當(dāng)前占據(jù)主要市場(chǎng)的紅外遙控型家電,本文作者研究開發(fā)了基于ZigBee與紅外的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試表明:該套系統(tǒng)操作性強(qiáng),可靠性高,成本相對(duì)較低,具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。由于現(xiàn)有的技術(shù)研究尚不成熟,進(jìn)行的只是一些初步的技術(shù)嘗試,還有一些亟待完善的地方,比如,如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無遙控設(shè)備的控制,如何真正實(shí)現(xiàn)家居的智能化,如何在家庭中建立一個(gè)小型的智能控制局域網(wǎng)等,這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進(jìn)行更深入的探究。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類號(hào):TN911-34; TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0039-03
System of Home Monitoring and Controlling Based on ZigBee and Infrared
ZHOU Li-chao, XU Xue-mei, LI An, WANG Qing
(School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The background and advantages of ZigBee are introduced. The applications of the home monitoring system based on zigBee wireless sensor networks were discussed. A new scheme of the home monitoring system is presented. The design and development of the software and hardware of the proposed system are given. By use of CC2430 as the core controller and achieving compatibility of appliances which are controlled by infrared, the system can monitor home environment and control kinds of appliances .It is shown that the system can effectively covers ZigBee signal in the 250-square-meter room. With strong scalability and high reliability, this system will owns very broad application prospects of the market.Keywords: home monitoring; zigBee; infrared; CC2430
0 引 言
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)之一。ZigBee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名,主要用于解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[1]。而紅外技術(shù)因興起早、技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)先在家電遙控市場(chǎng)先入為主,當(dāng)前家電遙控基本都采用紅外。
基于ZigBee與紅外技術(shù)的無線家居監(jiān)控系統(tǒng),采用便捷、易擴(kuò)展、低成本、低功耗方案實(shí)現(xiàn)家居的無線監(jiān)控。本系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將收集的信息傳送到監(jiān)視主機(jī),監(jiān)視主機(jī)可通過“網(wǎng)關(guān)-CC2430無線模塊-學(xué)習(xí)型紅外模塊”發(fā)出命令控制當(dāng)前的紅外遙控的家電,也可通過“網(wǎng)關(guān)-CC2430無線模塊”[2]實(shí)現(xiàn)對(duì)未來ZigBee控制型家電的控制,從而以便捷、低成本的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的照明、溫/濕度、安全和電器的智能監(jiān)控。另外,只需將監(jiān)視主機(jī)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)便能實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
本文重點(diǎn)介紹基于ZigBee技術(shù)的遙控家電與現(xiàn)行常用紅外遙控家電的兼容[3]和集成及對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]等方面的研究,最終實(shí)現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居[5]。針對(duì)ZigBee技術(shù)本身的低功耗、低成本和低時(shí)延、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì),保證了信息傳輸和反饋的及時(shí)性,并提高了家電遙控設(shè)備系統(tǒng)擴(kuò)展的整體性能。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)組成如圖1所示,監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)視節(jié)點(diǎn)、傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)[5]、紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點(diǎn)。監(jiān)視節(jié)點(diǎn)能夠建立并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)[6],同時(shí)負(fù)責(zé)與監(jiān)控主機(jī)的通信。一旦監(jiān)控主機(jī)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)即可升級(jí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集家庭光照、溫度、空氣質(zhì)量等環(huán)境信息。紅外中轉(zhuǎn)控制節(jié)點(diǎn)可根據(jù)采集的信息通過紅外線實(shí)時(shí)控制空調(diào)、燈光等傳統(tǒng)紅外型家電,而對(duì)于未來的ZigBee控制型家電,通過CC2430模塊便可實(shí)現(xiàn)兼容控制。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 CC2430無線收發(fā)模塊
CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案,它結(jié)合一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆小巧高效的8051控制器。圖2為CC2430的一種典型應(yīng)用電路[7]。該電路使用了一個(gè)非平衡天線,這樣可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341,L321,L331以及一個(gè)PCB 微波傳輸線組成,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個(gè)32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成;32.768 kHz的晶振電路由1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個(gè)電容(C441和C431)構(gòu)成。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
圖2 CC2430典型硬件應(yīng)用電路
2.2 傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)采用CC2430作為微處理器,采用DS18B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質(zhì)量傳感器探測(cè)家居環(huán)境情況。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路
2.3 紅外控制節(jié)點(diǎn)
紅外控制節(jié)點(diǎn)以CC2430作為微處理器,采用一體化的紅外接收頭接收紅外信息,以24C64作為存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)學(xué)習(xí)到得紅外編碼,考慮到紅外發(fā)射的距離和有效性,電路紅外發(fā)射管加入了2個(gè)三極管進(jìn)行兩級(jí)發(fā)大。紅外收發(fā)部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 紅外收發(fā)模塊
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)
監(jiān)視節(jié)點(diǎn)既要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù),包括新節(jié)點(diǎn)的加入和原有節(jié)點(diǎn)的退出管理[8];也要讀取并處理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息:讀取溫度、光敏、空氣質(zhì)量傳感器的信息并作出相應(yīng)的反應(yīng);還要發(fā)送控制命令到控制節(jié)點(diǎn):根據(jù)通過傳感器讀取的居室信息控制相應(yīng)的家電。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示。
3.2 傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質(zhì)量傳感器的驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫,限于篇幅在此不作過多闡述。
3.3 紅外控制節(jié)點(diǎn)
紅外信號(hào)的接收和編碼發(fā)射是紅外控制節(jié)點(diǎn)的研究重點(diǎn),處理思想是:不管遙控器編碼[9]是什么格式,把原遙控器所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量并緩存,對(duì)緩存高低電平、時(shí)寬等特征參數(shù)進(jìn)行分析并識(shí)別分類,對(duì)提取系統(tǒng)碼及參數(shù)進(jìn)行編號(hào)存儲(chǔ),當(dāng)需要發(fā)射時(shí),再讀出儲(chǔ)存器內(nèi)系統(tǒng)碼與特征參數(shù)并附加上用戶的操作碼發(fā)射出去。此方式的工作過程分以下幾步完成:對(duì)原始發(fā)射信號(hào)波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號(hào)、存儲(chǔ)信號(hào)、發(fā)射信號(hào)。
圖5 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
紅外信號(hào)接收流程圖如圖6所示。接收信號(hào)波形的測(cè)量,需采用較高速主控制芯片,對(duì)原始信號(hào)的進(jìn)行精密采集,同時(shí)采用了比較大的RAM作為信號(hào)的緩存。分析判別信號(hào)主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析,比如對(duì)信號(hào)的發(fā)送周期、引導(dǎo)碼電平時(shí)間、數(shù)據(jù)編碼高低電平的時(shí)間、編碼位數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析,判斷出編碼類別,提取出特征參數(shù)便于下一步的存儲(chǔ)。
紅外信號(hào)發(fā)射流程圖如圖7所示。
圖6 紅外信號(hào)接收流程圖
圖7 紅外信號(hào)發(fā)射流程圖
信號(hào)還原發(fā)射是根據(jù)編碼類型查表率獲得特征參數(shù),再調(diào)用發(fā)射函數(shù)將存儲(chǔ)的系統(tǒng)碼附加上用戶的操作碼調(diào)制發(fā)射出去。
4 結(jié) 語
目前,市場(chǎng)上基于ZigBee技術(shù)的家居電器[10]還只處在設(shè)計(jì)或者小范圍生產(chǎn)的階段,而紅外遙控型家電占據(jù)著大部分市場(chǎng)。著眼于ZigBee本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和未來發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合當(dāng)前占據(jù)主要市場(chǎng)的紅外遙控型家電,本文作者研究開發(fā)了基于ZigBee與紅外的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試表明:該套系統(tǒng)操作性強(qiáng),可靠性高,成本相對(duì)較低,具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。由于現(xiàn)有的技術(shù)研究尚不成熟,進(jìn)行的只是一些初步的技術(shù)嘗試,還有一些亟待完善的地方,比如,如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無遙控設(shè)備的控制,如何真正實(shí)現(xiàn)家居的智能化,如何在家庭中建立一個(gè)小型的智能控制局域網(wǎng)等,這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進(jìn)行更深入的探究。
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