采用ZigBee技术设计无线智能空调控制系统外围电路

Aguilera

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       当今社会，人们对生活品质要求越来越高，而传统的家电已经不能满足人们的需求，因此智能家理念电悄然兴起。智能家电是指将微电脑和通信技术融入到传统的家用电器中，使之智能化并具有网络终端功能，可以随时随地地获取与处理信息的消费电子产品，其重要的特征是通过Internet传递数字信息。基于此，设计了一种基于ZigBee通信协议的智能空调控制系统的外围电路。结合原空调控制系统，可以远程实时监测、控制空调的运行。
　　1 ZigBee技术的优势
　　二十一世纪以来，比较流行的无线局域网通信分别有WIFI、Bluetooth、ZigBee，但是蓝牙的传输距离短，WIFI的成本大、功耗高，而ZigBee低成本、低功耗、低复杂度的优势适合应用在短距离、传输信息少的无线控制系统中，更符合无线智能家电物美价廉、节能减排的绿色理念。因此，基于ZigBee通信协议的智能家电控制系统将是未来的发展方向。
　　2 ZigBee协议栈结构
　　ZigBee协议栈结构是由一组被称为层的模块组成。下面的一层为上面的一层执行特定的服务，即数据实体提供了数据传输服务，管理实体提供了所有其它的服务。上层由服务实体通过服务接入点提供一个接口。物理层和媒体介质访问层由IEEE802.15.4协议标准制定，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。物理层为上层提供原始比特流的数据连接，MAC层控制数据包的物理寻址，网络层是确定网络传输路径，应用层为应用程序服务。每层机构通过数据服务接口和管理服务接口进行相邻层之间的通信。
　　3 PCB内部天线的设计
　　使用PCB内部天线时，为了增强系统的抗干扰能力，需要设计精准的天线长度。由CC2530芯片可以知道，系统的频率f为2.4 GHz，光的传播速度C0为3×108m/s，可计算真空中的波长，如公式（1）所示：
　　λ=C0/f （1）
　　当电磁波在其他介质中进行传播时，可根据介质与真空的介电常数计算在介质中的传播速度，如公式（2）所示：
　

　　由于在制作PCB板子时，介电常数还会受到PCB板子厚度h以及线宽w的影响，因此有效介电常数εoff如公式（3）所示：
　　

　　设计的PCB板子的材料是FR4，该板子的介电常数为4.2，板子的厚度为1.6 mm，天线宽度为1 mm，计算出有效值为2.965，电磁波在板子中的波长为72.594 mm，因此PCB内部天线的长度设计为36.33 mm。
　　4 整体电路的系统设计
　　一个完整的ZigBee智能空调系统需要一个协调器，一个或多个路由器及许多个终端节点组成，这样才能完成网络的搭建，路径的分配和数据采集及传输任务。基于ZigBee协议设计的外围电路，系统框图如图1所示，无线智能空调系统外围电路的结构是星状网络结构，由一个全功能协调器（采集模块），一个LCD液晶及温度传感器的测温节点作为终端节点（传感模块）组成。
　

　　采集模块通过串口与PC机相连，传感器模块被布置在家中的空调上，通过温度传感器DS18B20实时监测室内温度，然后温度数据以无线的方式发送给采集模块，通过串口通信传递到上位机，家庭成员通过Internet远程查看温度;也可以远程设定空调温度，即通过上位机进行温度数据的设定，进而反向传输到传感模块的LCD液晶上显示。
　　5 系统的硬件设计
　　

　　5.1 通信模块的选择
　　设计过程中为了增加中心节点的数据存储和处理的能力，选用了带有256 K Flash和标准8051增强型处理器的CC2530作为核心模块。
　　CC2530模块是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE802.15.4协议的2.4 GHz无线射频单片机，该款模块能满足Z—Stack运行内存容量的要求;支持2.0～3.6 V供电电压，具有3种电源管理模式：唤醒模式、睡眠模式、终端模式;传输距离大于75 m，最高传输速率250 kbps，非常适合应用在智能空调上。基于CC2530模块最小系统原理图如图2所示。
　　

　　5.2 采集模块的硬件设计
　　采集模块主要负责建立、管理和维护网络。采集模块是由CC2530模块、电压转换电路、电源电路、串口、复位键、指示灯以及天线组成。由于CC2530模块的工作电压是3.3 V，所以采用电压转换芯片REG1117把5 V电压转换为3.3 V。指示灯是用来表示采集模块是否成功建立网络等状态信息。采集模块通过点播的形式发送控制指令给传感模块，发送的数据格式最多用5字节表示。
　　5.3 传感模块的硬件设计
　　传感模块是智能空调控制系统的终端节点。传感模块除了包含有采集模块组成部分外，还具有温度传感器DS18B20和LCD液晶显示部分。传感模块需要一个串口线即可实现DS 18B20温度传感器和PC机的双向通信。
　　当温度传感器检测到温度时，CC2530对数据进行处理，为传输数据做好准备，通过LCD显示出来并发送给采集模块。上位机设定温度后，通过采集模块反向传给传感模块并在LCD上显示。当传输或接受完毕后，传感模块进入休眠模式，使控制器进入低功率模式来延长电池寿命。
　　5.4 电源电路设计
　　电源电路为智能空调系统的其他功能模块供电，保证模块的正常工作。模块中，下载设备和调试设备需要5 V供电，芯片CC2530需要3.3 V供电，因此采用电压转换芯片进行电平转换。为了充分满足不同工作环境，系统采用3种供电方式：电池供电、USB供电、稳压电源直流供电。
　　6 系统的软件设计
　　系统集成开发环境采用IAR Embedded Workbench ForC8051，在此环境下完成对CC2530程序的编程、编译、调试，利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的下载工作。软件设计主要采用TI公司CC2530提供支持的免费ZigBee协议软件，以C语言为编程语言，在Z—Stack通用模板的基础上通过改动APP程序，来实现无线智能空调的控制。
　　6.1 采集模块软件设计
　　采集模块程序包括系统初始化、信道扫描、协调器建立网络、允许子节点接入网络和接收节点数据等代码程序。当系统上电后，首先初始化软硬件，建立网络并给每个加入网络的节点分配ID地址，然后系统进入监听状态，当协调器接收到无线传感模块终端发送的命令时，再发送控制命令到节点就可以实现对空调温度的控制。采集模块程序流程图如图3所示。
　　采用ZigBee技术设计无线智能空调控制系统外围电路
　　采集模块给多个传感模块分配的地址时，是按树型结构不同层d的深度对传感模块进行地址分配的，其不同层d分配的地址之间的间隔为Cskip（d），公式如（6）所示：
　

　　其中，Lm是结构的最大深度;Cm是组网中能拥有传感模块的最多个数;Rm是组网中路由器的最多个数。
　　当设备地址之间的间隔为0时，说明组网中没有路由器，因此不能接受任何传感设备。当地址之间的间隔大于0时，才可以给传感模块分配地址。
　　当采集模块给多个传感模块分配地址时，首先给第一个子模块分配比自身地址大1的组网地址，然后以地址之间的间隔Cskip（d）为公差依次进行递增，之后依次分配给其他子模块。地址分配如公式（7）所示：
　

　　公式（7）中，上面的式子是为多个传感模块分配的地址公式，下面的式子是为多个路由器分配的地址公式，Aparent为采集模块自身的地址。
　　6.2 传感模块软件设计
　　传感模块会自动加入网络，发出绑定请求，等待采集模块绑定响应。如果没有响应，传感模块将会周期性的继续搜索。如果绑定成功，会每隔1 s发送温度数据，然后再分两个路径分别传递，一是通过无线ZigBee技术传递给采集模块，另一个是直接在LCD液晶进行显示。当传感模块通过无线ZigBee技术接收到采集模块发送过来的命令数据时，数据也会在LCD液晶屏上显示。传感模块程序流程图如图4所示。
　

　　7 系统的测试结果及分析
　　无线智能空调外围电路的测试结果分为两个部分，一是上位机上显示的每隔1 s采集的温度数据及我们对空调设定的温度。另一部分是通过LCD液晶显示的室内温度和通过无线传输接收到的设定的温度，如图5所示。
　

　　测试结果表明：无线智能空调外围电路控制系统能够实现对室内温度的实时采集，以及远距离的无线传输的控制，系统具有数据精准、体积小、移植性强、传输距离可达20m左右，可穿透障碍物等特点，具有广阔的应用前景。
　　8 结束语
　　系统是基于ZigBee的无线智能空调外围电路的设计。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏组成的无线智能空调控制系统更具有移植性强，省电，灵活小巧等优点，可以应用在很多场合，方便人们的生活。PCB内部天线的长度设计为36.33 mm使抗干扰能力增强，收发数据精准。系统以无线方式进行数据的传输，避免了传统排线繁琐的缺点，更适用于当今社会的需要。