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基于zigbee的智能空调控制系统

摘要：为实现家用空调的智能控制，提出了一种基于ZigBee的智能控制系统类型。本文给出了智能家居空调远程控制系统的总体设计方案，在CC2530的基础上完成了采集模块和传感器模块的设计，实现了对室内空调的远程控制和温度采集。系统测试表明,该家庭系统运行可靠、实时性高，可对空调进行远程控制，具有良好的应用前景。

关键词：ZIGBEE，CC2530，智能家居，遥控器

1.介绍

随着智能家居普及程度的提高，人们不再能接受生产成本高且安装复杂的有线通信技术的智能家居系统，因此，新兴的无线通信技术在智能家居系统中的应用得到青睐。接下来，对几种常见的短距离无线通信技术进行了比较分析。

蓝牙是一种短距离通信、低成本的无线传输技术，它的工作频段是ISM 2.4GHz，最大数据速率为1mb /s。因为蓝牙技术具有高传输速率、免费使用频带、高安全性、低成本等优点，所以可广泛应用于笔记本与移动通信设备之间的无线通信领域。但它也存在着功耗大、组网复杂、网络节点数少(只有8个节点)、组网时间长(约10秒)等明显的缺点，这些弊端极大地制约了它的发展。红外线是一种波长在750nm ~ 1mm之间的电磁波，由于其波长较短，在障碍物上的绕射能力较差，只适用于短距离无线通信。红外技术在传输红外数据时传输速率高，且红外接口必须严格连接，具有较高的可靠性和安全性；但它的缺点是通信距离短，且在数据交互过程中，不可随意移动和避免障碍物。换句话说，红外技术可扩展性很弱。红外通信的特点决定了它只能应用于距离短、数据量小的无线通信，如家电遥控器。

Wi-Fi是IEEE 802.11系列之一，是一种采用2.4GHz频段的无线通信技术。它从最初的数据服务提升到现在的语音数据以及图像服务。IEEE802.11系列的无线通信技术具有数据传输率高、最多可携带50个网络节点等优点；其缺点是功耗大、网络时间长（约3秒）、网络复杂、设备成本高。这些特点决定了它只适用于高速数据传输，如室内无线局域网。

ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802. 15.4技术标准的无线数据传输网络，其技术具有通信效率高、复杂度低、功耗低、成本低、安全性高等优点，这些优点可以很好地发挥无线传感器网络的技术特点。

考虑到上述因素，所以我们将ZigBee无线通信技术应用到智能家居中，这不仅可以降低成本，还可以实现内部网Wi-Fi的控制。本文设计的智能空调控制系统通过前端的温度传感器采集室内温度，对温度值进行判断。如果超过设置的阈值,信息将被发送到网关。然后网关根据当前环境消息向相关前端控制器发送命令，实现自动控制空调控制系统。

2. 智能空调控制系统硬件设计

2.1智能空调系统总体设计

ZigBee控制系统由协调器、路由器和终端模块组成。协调器的数量是1，其他两个模块的数量是无限的（理论上是65535个），从而完成基本的无线通信和数据采集。图1为智能空调控制系统电路系统框图，该系统结构为星形网络，由一个全功能协调器即具有采集模块和一个带LCD和温度传感器DS 18B20的温度测量节点组成的协调器，作为终端节点即传感器模块。

采集模块通过USB数据线和PC机连接。传感器模块可用于家用空调，DS18B20对室内温度进行实时检测，然后将数据无线传输到采集模块，再通过串行通信，将其传输到上位机。家庭成员通过互联网远程查看温度。另外，家庭成员可以通过上位机远程设置空调的温度，然后通过ZigBee反向传输到传感器模块LCD屏上进行显示，部分LED显示状态传感器模块接入无线网络。

2.2 CC2530及典型应用电路

CC2530是真正意义上正确处理(SoC) IEEE 802. 15.4, Zigbee和RF4CE应用的解决方案。它支持以非常低的总材料成本构建健壮的网络节点。CC2530集领先射频收发器的卓越性能与行业标准增强8051单片机、系统内存8 kb以及其他功能于一体。CC2530具有多种工作模式，适合需要超低功耗的系统。运行模式之间的过渡时间短，进一步保证了低能耗。

CC2530典型应用电路主要包括晶体振荡电路和射频电路，外接32MHz晶体振荡电路和32768KHz晶体振荡电路。芯片内部有一个16MHzRC振荡器和一个32KHz RC振荡器。图2为32MHz的外部晶体振荡电路，图3为32.768KHz的外部晶体振荡电路。

CC2530射频电路是指天线与芯片收发针之间的匹配电路，如图4所示。

2.3 DS18B20和温度采集电路

DS18B20有四个主要数据组件:1、64位激光ROM；2、温度传感器；3、非易失性温度报警触发器TH和TL；4、配置寄存器。设备源于自身的设备通信线路的时期在一个攻电容器储存能量信号行高和继续操作这个电源的低次线行，直到它返回高电容器供应。DS18B20也可以采用外部3V- 5. 5V电源供电，图5描述了温度传感器获取温度的电路。

2.4 电源模块

电源电路的设计是为智能空调控制系统中各功能模块提供电源，以保证其正常运行。采集模块和传感器模块的下载设备和调试设备需要sv电源。而主芯片CC2530需要3.3V电源。因此，使用TPS73033进行电压转换。电压转换模块电路图如图6所示。

2.5 下载接口电路

CC2530芯片.上的7个引脚连接在一起通过调试程序下载和调试程序，图7为仿真器与主芯片连接示意图。

2.6 USB转UART电路

USB转UART电路采用MAX3232芯片，直接将主芯片上的DART转换为USB接口。这为与PC的连接提供了方便。该USB接口还为整个电路供电，从而简化了系统设计。图8为USB转UART电路图。

3. 智能家居联盟系统软件

软件开发环境为C8051的IAR嵌入式工作台,软件开发平台为Z-Stack 2007 PRO。虽然之前使用51单片机利用Keil软件进行编程，但是我们不能直接使用德州仪器公司的Z-Stack协议栈。而IAR软件可以直接用它来做开发，用户只需要修改应用程序层程序和调用API接口函数。同时，IAR软件可以利用C/ c 进行编程,它支持至少35种ARM微处理器。它保留了高效可编程代码的优点,成为嵌入式领域应用最广泛的开发环境。

3.1 采集模块的软件程序设计

智能家居系统中的采集模块程序的主要功能是初始化各层，建立网络，允许绑定，分配ID地址号等。图9为采集模块流程图。

系统开始之后，系统对每一层进行初始化，建立网络，允许绑定,将ID地址码分配给成功接入网络并进入监听状态的设备。协调器接收到无线传感器模块终端发出的指令后，将控制指令发送给节点，实现对智能空调的温度控制。

3.2 传感器程序设计

传感器模块检查网络，然后发送绑定请求。允许后，要求加入网络。接收到采集模块的许可后，分发ID地址号。如果没有响应，传感器模块将周期性地继续进行检查。如果绑定成功，则接收采集模块发送的ID地址码，每隔1秒发送一次温度数据。它通过两条路径传输，一种是通过无线ZigBee技术将数据传输到采集模块。另一种是直接在LCD上显示数据。传感器模块接收采集模块通过无线ZigBee技术发送的命令数据时，数据也会显示在LCD上。图10为传感器模块流程图。

通电后，传感器模块会对任务进行初始化，传感器模块也有自己的描述符和端口号。虽然其流程与采集模块相同，但其设备类型为终端设备。

4. 结论

实验首先通过传感器模块测量室内温度，其次通过ZigBee无线通信技术将温度数据发送到采集模块、引导数据发送到串口调试助手。在这基础之上，实现温度数据通过上位机反向传输到传感器模块，然后采集的温度和控制的温度将显示在液晶显示屏上。随着温度传感器温度的变化，串口调试助手温度也出现实时变化。测试结果表明，串口调试助手上的温度包括采集的温度和控制的温度，从而实现了基于ZigBee的智能空调控制系统的设计。

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