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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無(wú)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(wú)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。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(wú)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(wú)線監(jiān)控。本系統(tǒng)通過(guò)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(guò)“網(wǎng)關(guān)-CC2430無(wú)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(guò)“網(wǎng)關(guān)-CC2430無(wú)線模塊”實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)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和集成及對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面的研究，最終實(shí)現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居。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)、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)，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(guò)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(lái)的ZigBee控制型家電，通過(guò)CC2430模塊便可實(shí)現(xiàn)兼容控制。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 CC2430無(wú)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。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，L32 1，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(XTA-L1)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。

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DSl8B20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。

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。

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；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(guò)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(guò)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(guò)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)。
    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。
    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(yǔ)
    目前，市場(chǎng)上基于ZigBee技術(shù)的家居電器還只處在設(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(lái)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(kāi)發(fā)了基于ZigBee與紅外的無(wú)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(wú)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。