基于ZigBee的紅外空調(diào)控制

摘要：基于實現(xiàn)紅外空調(diào)智能化控制的目的，提出了采用ZigBee技術(shù)對空調(diào)進行紅外控制的方法。通過對ZigBee控制原理和實現(xiàn)的分析以及空調(diào)紅外編碼的分析，系統(tǒng)在IAR開發(fā)環(huán)境下編程實現(xiàn)一系列功能。結(jié)合PC端串口助手給ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，再將指令無線發(fā)送給ZigBee 終端來控制空調(diào)的試驗，實驗結(jié)果顯示紅外編碼與空調(diào)參數(shù)是一一對應(yīng)的，通過改變紅外編碼，可以實現(xiàn)對空調(diào)溫度、開關(guān)機、冷熱風(fēng)等的控制。至此得出利用 ZigBee技術(shù)組建局域網(wǎng)可以實現(xiàn)紅外空調(diào)控制的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：紅外;空調(diào)智能化控制;ZigBee技術(shù);局域網(wǎng)

近幾年來智能設(shè)備不僅在無線領(lǐng)域有飛速的發(fā)展，人們對技術(shù)的追求越來越高，智能化越來越受到人們的歡迎。用紅外遙控器控制空調(diào)雖然已取得相應(yīng)的成就，但是用紅外遙控器控制空調(diào)受到距離和角度的限制，為了解決所出現(xiàn)的問題，本設(shè)計從紅外編碼、ZigBee組網(wǎng)的原理以及實現(xiàn)原理和紅外控制電路三方面分析，采用ZigBee星型組網(wǎng)方式以及多方位紅外控制電路，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)實時、高效的控制空調(diào)。

1 紅外編碼的實現(xiàn)及原理

紅外的編碼是空調(diào)控制系統(tǒng)的核心。現(xiàn)有的紅外遙控包括兩種方式：PWM(脈沖寬度調(diào)制)和PPM(脈沖位置調(diào)制)。該系統(tǒng)采用PWM的方式，其載波頻率為38 kHz，編碼協(xié)議為NEC協(xié)議。PWM波以發(fā)射紅外載波的占空比代表“0”和“1”，為了節(jié)省能量，一般情況下，發(fā)射紅外載波的時間固定，通過改變不發(fā)射載波的時間來改變占空比。如本文中所描述的格力空調(diào)的占空比為1/3，發(fā)射紅外載波的時間為0.56 ms，以不發(fā)生紅外載波的時間0.56 ms和1.69 ms來分別代表“0”和“1”，如圖1。

空調(diào)的紅外編碼與電視、音響等不一樣，電視的編碼格式固定，一個按鍵只有一個編碼，編碼相對簡單，而空調(diào)必須一次將制冷、溫度、風(fēng)速、定時等發(fā)送完畢，編碼復(fù)雜，如圖2。

2 ZigBee組網(wǎng)原理及通信原理

2.1 ZigBee之間的網(wǎng)絡(luò)連接方式及組網(wǎng)過程

ZigBee因具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、自組網(wǎng)以及自修復(fù)等功能而逐漸成為短距離無線通信的首選。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)最常見的有3種：星型、樹型、網(wǎng)狀型。如圖3。本文中采用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，由ZigBee協(xié)調(diào)器向ZigBee終端節(jié)點不經(jīng)過ZigBee路由器直接向 ZigBee終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，此網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

組建一個完整的ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)和添加節(jié)點。

創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)：第一步，確定一個ZigBee為協(xié)調(diào)器，并確定其沒有加入到其它的局域網(wǎng)中;第二步，確定的ZigBee協(xié)調(diào)器對信道進行掃描;第三步，確定的ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的ID。

添加節(jié)點：第一步，加入的節(jié)點查找最近的ZigBee協(xié)調(diào)器;第二步，加入的節(jié)點發(fā)送連接請求給ZigBee協(xié)調(diào)器;第三步，ZigBee協(xié)調(diào)器接收加入的節(jié)點發(fā)送的請求并進行處理;第四步，ZigBee協(xié)調(diào)器將同意加入的命令存儲起來并發(fā)給加入的節(jié)點;第五步，加入的節(jié)點接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的同意加入的命令。

2.2 ZigBee之間的互相通信

ZigBee之間相互通信框架圖如圖4所示，它們之間通過函數(shù)

多個ZigBee通過識別不同的cID來接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出的信息，達到可靠、穩(wěn)定的效果。

destAddr：指向目的地址

cID：指ZigBee的發(fā)送序號

buf：指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)

len：指發(fā)送數(shù)據(jù)的長度

3 實驗仿真與分析

3.1 系統(tǒng)工作框架原理

系統(tǒng)借助PC串口助手，在串口助手上輸入紅外編碼，發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過組網(wǎng)，將編碼信號經(jīng)過無線傳送給ZigBee終端節(jié)點，終端節(jié)點收到指令后，控制CC25 30芯片的P1.4引腳將紅外編碼發(fā)送出去，隨后將發(fā)送編碼成功信息反饋給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將信息顯示到串口助手上。如圖5系統(tǒng)框架圖。

3.2 紅外模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用外部供電的方式給紅外發(fā)射管供電，P1.4引腳的輸出電壓為3.3，當(dāng)S8050三極管導(dǎo)通工作時，根據(jù)回路、回路，以及紅外發(fā)射管的參數(shù)，本文采用Rb=1.5 kΩ，Rc=100Ω，保護紅外發(fā)射管和三極管。紅外模塊電路圖如圖6所示。

3.3 實驗結(jié)果和分析

實驗結(jié)果：當(dāng)依次輸入制冷模式、開空調(diào)、風(fēng)速高、掃風(fēng)開、睡眠關(guān)、溫度26℃、不定時后，實驗結(jié)果如圖7所示，遙控編碼如圖8所示。

實驗分析：將實驗結(jié)果圖與遙控器的紅外編碼圖比較，相差無異，空調(diào)可以正常工作，此實驗說明，紅外模塊的設(shè)計是合理的。但是外接電壓經(jīng)過1小時供電后，Vcc降低了，紅外的發(fā)射距離受到了影響，有時空調(diào)接收不到信號;同時紅外發(fā)射管與空調(diào)的紅外接收管必須保證一定的角度，空調(diào)才能接收到信號，對此進行以下改進。

3.4 實驗改進

針對2.3中的實驗的結(jié)果分析，為保證紅外長距離穩(wěn)定發(fā)射，在三極管的基極上與電阻并聯(lián)2個二極管，這樣基極電壓被控制在1.2，三極管的發(fā)射極電壓，保證發(fā)射極電壓為恒定的0.6。解決了因電壓降低不能長距離發(fā)送的問題。為解決角度的問題，在外接電路上再并聯(lián)2個紅外發(fā)射管，解決了單一方向和角度的問題。改善后的電路如圖9所示。

改進后再次對實驗結(jié)果進行測試，與未修改時相比波形幾乎沒有什么變化，經(jīng)過1小時供電后，再次進行測試，結(jié)果顯示，波形穩(wěn)定。

4 結(jié)論

文中提出了一種基于ZigBee的紅外控制空調(diào)的方法。該方法摒棄了傳統(tǒng)的利用空調(diào)遙控器進行空調(diào)的方法，簡化了操作，同時還得到了空調(diào)的反饋信息。將該方法應(yīng)用于實驗室智能設(shè)備的控制上具有一定的參考價值。經(jīng)過對實驗結(jié)果的進一步分析，完善紅外發(fā)射電路的設(shè)計，達到了理想的控制空調(diào)的效果。實驗表明，本文提出的方法對長距離控制實驗室設(shè)備，具有一定的意義。