基于ZigBee與紅外的家居監(jiān)控系統(tǒng)

引言
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一。ZigBee是一種無線連接技術的商業(yè)化命名，主要用于解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網應用。而紅外技術因興起早、技術簡單等優(yōu)點先在家電遙控市場先入為主，當前家電遙控基本都采用紅外。
    基于ZigBee與紅外技術的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)，采用便捷、易擴展、低成本、低功耗方案實現(xiàn)家居的無線監(jiān)控。本系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測節(jié)點將收集的信息傳送到監(jiān)視主機，監(jiān)視主機可通過“網關-CC2430無線模塊-學習型紅外模塊”發(fā)出命令控制當前的紅外遙控的家電，也可通過“網關-CC2430無線模塊”實現(xiàn)對未來ZigBee控制型家電的控制，從而以便捷、低成本的方式實現(xiàn)對家居的照明、溫／濕度、安全和電器的智能監(jiān)控。另外，只需將監(jiān)視主機接入遠程網絡，該系統(tǒng)便能實現(xiàn)對家居的遠程實時監(jiān)控。
    本文重點介紹基于ZigBee技術的遙控家電與現(xiàn)行常用紅外遙控家電的兼容和集成及對家居環(huán)境的實時監(jiān)測等方面的研究，最終實現(xiàn)基于ZigBee網絡的智能家居。針對ZigBee技術本身的低功耗、低成本和低時延、易擴展等優(yōu)勢，保證了信息傳輸和反饋的及時性，并提高了家電遙控設備系統(tǒng)擴展的整體性能。

1 系統(tǒng)架構
    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、傳感器檢測節(jié)點、紅外中轉控制節(jié)點。監(jiān)視節(jié)點能夠建立并維護ZigBee網絡，同時負責與監(jiān)控主機的通信。一旦監(jiān)控主機接入遠程網絡，該系統(tǒng)即可升級實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。傳感器檢測節(jié)點負責采集家庭光照、溫度、空氣質量等環(huán)境信息。紅外中轉控制節(jié)點可根據采集的信息通過紅外線實時控制空調、燈光等傳統(tǒng)紅外型家電，而對于未來的ZigBee控制型家電，通過CC2430模塊便可實現(xiàn)兼容控制。

2 硬件設計
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，它結合一個高性能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的一種典型應用電路。該電路使用了一個非平衡天線，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，L32 1，L331以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個32 MHz的石英諧振器(XTA-L1)和2個電容(C191和C211)構成；32．768 kHz的晶振電路由1個32．768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C441和C431)構成。

2．2 傳感器監(jiān)測節(jié)點
    監(jiān)測節(jié)點的硬件結構采用CC2430作為微處理器，采用DSl8B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質量傳感器探測家居環(huán)境情況。檢測節(jié)點電路圖設計如圖3所示。

2．3 紅外控制節(jié)點
    紅外控制節(jié)點以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作為存儲模塊存儲學習到得紅外編碼，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個三極管進行兩級發(fā)大。紅外收發(fā)部分電路設計如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 監(jiān)視節(jié)點
    監(jiān)視節(jié)點既要完成ZigBee網絡的建立和維護，包括新節(jié)點的加入和原有節(jié)點的退出管理；也要讀取并處理監(jiān)測節(jié)點的信息：讀取溫度、光敏、空氣質量傳感器的信息并作出相應的反應；還要發(fā)送控制命令到控制節(jié)點：根據通過傳感器讀取的居室信息控制相應的家電。監(jiān)測節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。

3．2 傳感器監(jiān)測節(jié)點
    傳感器監(jiān)測節(jié)點的軟件設計主要是對溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質量傳感器的驅動函數的編寫，限于篇幅在此不作過多闡述。
3．3 紅外控制節(jié)點
    紅外信號的接收和編碼發(fā)射是紅外控制節(jié)點的研究重點，處理思想是：不管遙控器編碼是什么格式，把原遙控器所發(fā)出的信號進行精確測量并緩存，對緩存高低電平、時寬等特征參數進行分析并識別分類，對提取系統(tǒng)碼及參數進行編號存儲，當需要發(fā)射時，再讀出儲存器內系統(tǒng)碼與特征參數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：對原始發(fā)射信號波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號、存儲信號、發(fā)射信號。
    紅外信號接收流程圖如圖6所示。接收信號波形的測量，需采用較高速主控制芯片，對原始信號的進行精密采集，同時采用了比較大的RAM作為信號的緩存。分析判別信號主要是對采集到的信號進行分析，比如對信號的發(fā)送周期、引導碼電平時間、數據編碼高低電平的時間、編碼位數據等參數進行細致分析，判斷出編碼類別，提取出特征參數便于下一步的存儲。

    紅外信號發(fā)射流程圖如圖7所示。
    信號還原發(fā)射是根據編碼類型查表率獲得特征參數，再調用發(fā)射函數將存儲的系統(tǒng)碼附加上用戶的操作碼調制發(fā)射出去。

4 結語
    目前，市場上基于ZigBee技術的家居電器還只處在設計或者小范圍生產的階段，而紅外遙控型家電占據著大部分市場。著眼于ZigBee本身的技術優(yōu)勢和未來發(fā)展趨勢，結合當前占據主要市場的紅外遙控型家電，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)。測試表明：該套系統(tǒng)操作性強，可靠性高，成本相對較低，具有非常廣闊的市場應用前景。由于現(xiàn)有的技術研究尚不成熟，進行的只是一些初步的技術嘗試，還有一些亟待完善的地方，比如，如何實現(xiàn)遠距離的無遙控設備的控制，如何真正實現(xiàn)家居的智能化，如何在家庭中建立一個小型的智能控制局域網等，這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進行更深入的探究。