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采用ZigBee技术设计无线智能空调控制系统外围电路

出处:电子发烧友 发布于:2018-09-19 13:41:26 | 151 次阅读

  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。
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