基于ZigBee的智能家居系统

基于ZigBee的智能家居系统

摘要：

基于ZigBee的智能家居系统是针对家居高度自动化、智能化的要求提出的一种新的解决方案。主要用ZigBee手持控制器无线采集室内环境参数，远程控制各种家居电器，实现家居控制、参数检测的完全自动化、智能化。设备以C8051F020单片机为控制核心单元，检测湿度，负责驱动电机，处理和传输数据。采用高精度传感器作为湿度检测器件，直流电机等为执行机构，完成环境参数检测，对窗帘、交流电电器等的控制功能。用手持设备通过IP-LINK1270模块串口实现了室内无线通信，可以接收湿度数据，控制简单家居。本系统具有良好的开发和应用前景。

关键词：ZigBee 无线通信湿度检测智能家居

由于生活质量的日益改善，各种家电设备的高度自动化和智能化已经成为一种消费需求，同时科学技术的飞速发展，让这种需求的达到已经不再遥远。新的ZigBee协议在无线传感器网络和各种无线终端控制方面有良好的前景，为传感器网络和控制设备提出了新的方案。基于ZigBee的网络控制系统就可以实现对各种家电设备的控制和调节，只需要对旧式家电（家居）进行改装，或加入必要的驱动电路，便可以实现小信号对交流电器的控制。室内温度、湿度等环境参数直接影响生活质量，同样可以通过ZigBee控制器对室内温度、湿度检测设备进行较远距离的适时采集，然后根据个人意愿对家电（家居）进行不同程度的调节。

我们对实用小功率电扇进行了改装，对窗帘装上直流电机和定滑轮，可以由ZigBee控制器向单片机发送命令对电扇和窗帘的开关程度控制和调节。室内参数检测方面，开发了湿度检测设备，可以有效的反馈实时数据。

一、系统（主设备）结构及各部分功能

在整个系统设计方案中，以C8051F020为核心，作为数据处理器和设备控制器，整个设备也可作为工业现场设备，从属于ZigBee核心控制器。

系统（主设备）结构如图所示，

图1 系统（主设备）总体结构图

上图中所示各个模块的基本功能分别为：

（1）湿度传感器模块：把传感器信号作滤波处理，并送入单片机模拟通道。

（2）L6203电机驱动模块：当单片机的提供信号满足条件时，输出电压驱动电机正转或反转。

（3）晶闸管电扇控制模块：单片机选择驱动不同的晶闸管，以实现对交流电电器如电扇的控制。

（4）独立式按键：对四个按键的组合运用，设置湿度报警的上限和下限；操作控制电扇、窗帘。

（5）声光报警模块：当湿度值超出人为设定的报警限时，自动报警。

（6）数码管显示：三位数码管显示湿度相对百分比，精确到小数后一位。

二、模块设计实现原理

1、电源设计

在整个系统中，所选湿度传感器需要 5.0V的直流稳压电源，单片机C8051F020需要3.3V的直流稳压电源，电源的设计要求非常严格。如图所示，我们选用LM2576芯片，产生5V的电源，输入电源可以选择通过变压器直接输入9V～24V的直流信号，以满足电机驱动芯片L6203的电源；5V直流电源通过ASM1117产生3.3V电源提供给单片机C8051F020。电源模块产生信号比较稳定，能够很好的满足系统需要。

图2 电源电路

2、传感器数据采集模块

本系统中，我们选用了北京宝利马公司生产的湿敏传感器，具有良好的线性关系，输出0.9V～3.8V的模拟信号，可以直接输入单片机。如图所示，传感器输出信号通过电容滤波，减小波动和干扰误差后，输入单片机C8051F020进行A/D 转换，并且可以通过选择开关，选择单片机模拟通道。

图3 传感器接口电路

3、通信模块

整个控制网络系统中的无线通信功能是通过IP-LINK1270模块和C8051F020之间的串口通信实现的。IP-LINK1270模块是完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee 规范的 2.4GHz无线收发模块。需要 3.3V的工作电源和逻辑电平，刚好保证和C8051F020顺利通信，其复位端与单片机复位端相连，单片机上电的同时IP-LINK1270模块也复位。该模块在使用之前，需要配置其网络号，节点号以及信道和频率等，以便准确的向设备发送数据或命令。

图4 通信接口电路

4、电机驱动和晶闸管开关模块

用芯片L6203作为电机的核心驱动，从单片机I/O口输出一路信号作为L6203的使能信号，控制芯片的通断。再由单片机提供两路信号，两路信号呈现一高一低时方可驱动电机，高低的顺序不同，电机的转动方向不同。

图5 执行电机驱动电路

5、其它常用模块

本系统中所用到的常用模块主要包括独立式按键电路、声光报警电路和三位数码管显示电路。

图6 报警、按键、显示电路

独立式按键采用上拉的方式接入单片机，当无按键按下时，I/O输入上拉电源提供的的高电平，而当有按键按下时上拉电阻一端接地，输入有效信号高电平。

由于单重的声音或灯光，在工业现场不一定达到预期地报警效果，我们选用灯光报警的方式，通过单片机用三极管控制蜂鸣器和发光二极管通断。

三位数码管用动态的显示方式节约了I/O资源，同样通过控制三极管的通断来实现数码管的片选，只要扫描频率足够高，视觉就感受不到闪烁。

三、部分软件流程

1、湿度检测设备主流程

C8051F020单片机各种资源丰富，功能强大。先必须对单片机进行初始化，包括系统时钟、定时器、端口等的初始化，还有一些特殊功能ADC等的初始化，然后进入A/D，依次报警限检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。

图7 湿度检测主流程图

2、A/D转换流程

C8051F020的内嵌12位ADC，可以通过向AD0BUSY写“1”启动转换，应查询AD0INT位以确定转换何时结束。查询步骤如下：

1、写“0”到AD0INT；

2、向AD0BUSY写“1”；

3、查询并等待AD0INT变“1”；

4、处理ADC0数据。