摘 要:在介紹了ZigBee技術的興起背景及優勢的基礎上,重點探討了ZigBee無線技術在家居監控系統中的應用,并給出了一套基于ZigBee和紅外技術的無線家居監控系統的設計方案。系統以CC2430為核心控制器并結合紅外技術實現了對紅外遙控型家電的兼容,能夠監測家居環境并控制多種類型終端家電。測試表明:在250 m2的房間里,該系統的ZigBee信號能有效覆蓋。系統擴展性強,可靠性高,具有非常廣闊的市場應用前景。關鍵詞:家居監控; ZigBee; 紅外; CC2430
中圖分類號:TN911-34; TP212文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)17-0039-03
System of Home Monitoring and Controlling Based on ZigBee and Infrared
ZHOU Li-chao, XU Xue-mei, LI An, WANG Qing
(School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The background and advantages of ZigBee are introduced. The applications of the home monitoring system based on zigBee wireless sensor networks were discussed. A new scheme of the home monitoring system is presented. The design and development of the software and hardware of the proposed system are given. By use of CC2430 as the core controller and achieving compatibility of appliances which are controlled by infrared, the system can monitor home environment and control kinds of appliances .It is shown that the system can effectively covers ZigBee signal in the 250-square-meter room. With strong scalability and high reliability, this system will owns very broad application prospects of the market.Keywords: home monitoring; zigBee; infrared; CC2430
0 引 言
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術,主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一。ZigBee是一種無線連接技術的商業化命名,主要用于解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用[1]。而紅外技術因興起早、技術簡單等優點先在家電遙控市場先入為主,當前家電遙控基本都采用紅外。
基于ZigBee與紅外技術的無線家居監控系統,采用便捷、易擴展、低成本、低功耗方案實現家居的無線監控。本系統通過傳感器監測節點將收集的信息傳送到監視主機,監視主機可通過“網關-CC2430無線模塊-學習型紅外模塊”發出命令控制當前的紅外遙控的家電,也可通過“網關-CC2430無線模塊”[2]實現對未來ZigBee控制型家電的控制,從而以便捷、低成本的方式實現對家居的照明、溫/濕度、安全和電器的智能監控。另外,只需將監視主機接入遠程網絡,該系統便能實現對家居的遠程實時監控。
本文重點介紹基于ZigBee技術的遙控家電與現行常用紅外遙控家電的兼容[3]和集成及對家居環境的實時監測[4]等方面的研究,最終實現基于ZigBee網絡的智能家居[5]。針對ZigBee技術本身的低功耗、低成本和低時延、易擴展等優勢,保證了信息傳輸和反饋的及時性,并提高了家電遙控設備系統擴展的整體性能。
1 系統架構
系統組成如圖1所示,監控系統主要包括監視節點、傳感器檢測節點[5]、紅外中轉控制節點。監視節點能夠建立并維護ZigBee網絡[6],同時負責與監控主機的通信。一旦監控主機接入遠程網絡,該系統即可升級實現遠程實時監控。傳感器檢測節點負責采集家庭光照、溫度、空氣質量等環境信息。紅外中轉控制節點可根據采集的信息通過紅外線實時控制空調、燈光等傳統紅外型家電,而對于未來的ZigBee控制型家電,通過CC2430模塊便可實現兼容控制。
2 硬件設計
2.1 CC2430無線收發模塊
CC2430是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS解決方案,它結合一個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發器核心和一顆小巧高效的8051控制器。圖2為CC2430的一種典型應用電路[7]。該電路使用了一個非平衡天線,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,L321,L331以及一個PCB 微波傳輸線組成,整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C191和C211)構成;32.768 kHz的晶振電路由1個32.768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C441和C431)構成。
圖1 系統組成框圖
圖2 CC2430典型硬件應用電路
2.2 傳感器監測節點
監測節點的硬件結構采用CC2430作為微處理器,采用DS18B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質量傳感器探測家居環境情況。檢測節點電路圖設計如圖3所示。
圖3 傳感器檢測節點電路
2.3 紅外控制節點
紅外控制節點以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作為存儲模塊存儲學習到得紅外編碼,考慮到紅外發射的距離和有效性,電路紅外發射管加入了2個三極管進行兩級發大。紅外收發部分電路設計如圖4所示。
圖4 紅外收發模塊
3 系統軟件設計
3.1 監視節點
監視節點既要完成ZigBee網絡的建立和維護,包括新節點的加入和原有節點的退出管理[8];也要讀取并處理監測節點的信息:讀取溫度、光敏、空氣質量傳感器的信息并作出相應的反應;還要發送控制命令到控制節點:根據通過傳感器讀取的居室信息控制相應的家電。監測節點的軟件流程圖如圖5所示。
3.2 傳感器監測節點
傳感器監測節點的軟件設計主要是對溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質量傳感器的驅動函數的編寫,限于篇幅在此不作過多闡述。
3.3 紅外控制節點
紅外信號的接收和編碼發射是紅外控制節點的研究重點,處理思想是:不管遙控器編碼[9]是什么格式,把原遙控器所發出的信號進行精確測量并緩存,對緩存高低電平、時寬等特征參數進行分析并識別分類,對提取系統碼及參數進行編號存儲,當需要發射時,再讀出儲存器內系統碼與特征參數并附加上用戶的操作碼發射出去。此方式的工作過程分以下幾步完成:對原始發射信號波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號、存儲信號、發射信號。
圖5 監視節點軟件流程圖
紅外信號接收流程圖如圖6所示。接收信號波形的測量,需采用較高速主控制芯片,對原始信號的進行精密采集,同時采用了比較大的RAM作為信號的緩存。分析判別信號主要是對采集到的信號進行分析,比如對信號的發送周期、引導碼電平時間、數據編碼高低電平的時間、編碼位數據等參數進行細致分析,判斷出編碼類別,提取出特征參數便于下一步的存儲。
紅外信號發射流程圖如圖7所示。
圖6 紅外信號接收流程圖
圖7 紅外信號發射流程圖
信號還原發射是根據編碼類型查表率獲得特征參數,再調用發射函數將存儲的系統碼附加上用戶的操作碼調制發射出去。
4 結 語
目前,市場上基于ZigBee技術的家居電器[10]還只處在設計或者小范圍生產的階段,而紅外遙控型家電占據著大部分市場。著眼于ZigBee本身的技術優勢和未來發展趨勢,結合當前占據主要市場的紅外遙控型家電,本文作者研究開發了基于ZigBee與紅外的無線家居監控系統。測試表明:該套系統操作性強,可靠性高,成本相對較低,具有非常廣闊的市場應用前景。由于現有的技術研究尚不成熟,進行的只是一些初步的技術嘗試,還有一些亟待完善的地方,比如,如何實現遠距離的無遙控設備的控制,如何真正實現家居的智能化,如何在家庭中建立一個小型的智能控制局域網等,這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進行更深入的探究。
參考文獻
[1]POOLE I. What exactly is ZigBee [J]. Communications Engineer, 2004, 2(4): 44-45.
[2]瞿雷,劉盛德,胡成斌.ZigBee技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.
[3]徐淑萍,譚寶成.智能型紅外遙控器的研制[J].現代電子技術,2002,25(1):44-45.
[4]BAKER N. ZigBee and bluetooth strengths and weaknesses for industrial applieations[J]. Computing & Control Engineering Joumal, 2005, 16(2): 20-25.
[5]張堃.淺析家居智能化[C]//第八屆辦公自動化國際學術研討會論文集.北京:中關村科技園區海淀園管委會,2004:28-30.
[6]馬祖長,孫怡寧.溫濕度檢測的無線傳感器網絡[J].傳感器技術,2003,22(12):57-59.
[7]SUKWON Choi, HOJUNG Cha, SUNGCHIL Cho. A SoC-based sensor node: evaluation of RETOS-enabled CC2430[J]. Inst. of Elec. and Elec. Eng. Computer Society, 2007, 7(2): 132-141.
[8]寧炳武,劉軍民.基于CC2430的ZigBee網絡節點設計[J].通信與網絡,2008(3):95-99.
[9]蔡明文.紅外遙控編碼的惟一性研究[J].蘭州工業高等專科學校學報,2008,15(4):1-3.
[10]孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.
中圖分類號:TN911-34; TP212文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)17-0039-03
System of Home Monitoring and Controlling Based on ZigBee and Infrared
ZHOU Li-chao, XU Xue-mei, LI An, WANG Qing
(School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The background and advantages of ZigBee are introduced. The applications of the home monitoring system based on zigBee wireless sensor networks were discussed. A new scheme of the home monitoring system is presented. The design and development of the software and hardware of the proposed system are given. By use of CC2430 as the core controller and achieving compatibility of appliances which are controlled by infrared, the system can monitor home environment and control kinds of appliances .It is shown that the system can effectively covers ZigBee signal in the 250-square-meter room. With strong scalability and high reliability, this system will owns very broad application prospects of the market.Keywords: home monitoring; zigBee; infrared; CC2430
0 引 言
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術,主要用于近距離無線連接。早在2004年就被列為當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一。ZigBee是一種無線連接技術的商業化命名,主要用于解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用[1]。而紅外技術因興起早、技術簡單等優點先在家電遙控市場先入為主,當前家電遙控基本都采用紅外。
基于ZigBee與紅外技術的無線家居監控系統,采用便捷、易擴展、低成本、低功耗方案實現家居的無線監控。本系統通過傳感器監測節點將收集的信息傳送到監視主機,監視主機可通過“網關-CC2430無線模塊-學習型紅外模塊”發出命令控制當前的紅外遙控的家電,也可通過“網關-CC2430無線模塊”[2]實現對未來ZigBee控制型家電的控制,從而以便捷、低成本的方式實現對家居的照明、溫/濕度、安全和電器的智能監控。另外,只需將監視主機接入遠程網絡,該系統便能實現對家居的遠程實時監控。
本文重點介紹基于ZigBee技術的遙控家電與現行常用紅外遙控家電的兼容[3]和集成及對家居環境的實時監測[4]等方面的研究,最終實現基于ZigBee網絡的智能家居[5]。針對ZigBee技術本身的低功耗、低成本和低時延、易擴展等優勢,保證了信息傳輸和反饋的及時性,并提高了家電遙控設備系統擴展的整體性能。
1 系統架構
系統組成如圖1所示,監控系統主要包括監視節點、傳感器檢測節點[5]、紅外中轉控制節點。監視節點能夠建立并維護ZigBee網絡[6],同時負責與監控主機的通信。一旦監控主機接入遠程網絡,該系統即可升級實現遠程實時監控。傳感器檢測節點負責采集家庭光照、溫度、空氣質量等環境信息。紅外中轉控制節點可根據采集的信息通過紅外線實時控制空調、燈光等傳統紅外型家電,而對于未來的ZigBee控制型家電,通過CC2430模塊便可實現兼容控制。
2 硬件設計
2.1 CC2430無線收發模塊
CC2430是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS解決方案,它結合一個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發器核心和一顆小巧高效的8051控制器。圖2為CC2430的一種典型應用電路[7]。該電路使用了一個非平衡天線,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,L321,L331以及一個PCB 微波傳輸線組成,整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振電路由1個32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C191和C211)構成;32.768 kHz的晶振電路由1個32.768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C441和C431)構成。
圖1 系統組成框圖
圖2 CC2430典型硬件應用電路
2.2 傳感器監測節點
監測節點的硬件結構采用CC2430作為微處理器,采用DS18B20作為溫度傳感器、TPS851作為光敏傳感器、TGS2600作為空氣質量傳感器探測家居環境情況。檢測節點電路圖設計如圖3所示。
圖3 傳感器檢測節點電路
2.3 紅外控制節點
紅外控制節點以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作為存儲模塊存儲學習到得紅外編碼,考慮到紅外發射的距離和有效性,電路紅外發射管加入了2個三極管進行兩級發大。紅外收發部分電路設計如圖4所示。
圖4 紅外收發模塊
3 系統軟件設計
3.1 監視節點
監視節點既要完成ZigBee網絡的建立和維護,包括新節點的加入和原有節點的退出管理[8];也要讀取并處理監測節點的信息:讀取溫度、光敏、空氣質量傳感器的信息并作出相應的反應;還要發送控制命令到控制節點:根據通過傳感器讀取的居室信息控制相應的家電。監測節點的軟件流程圖如圖5所示。
3.2 傳感器監測節點
傳感器監測節點的軟件設計主要是對溫度傳感器、光敏傳感器、空氣質量傳感器的驅動函數的編寫,限于篇幅在此不作過多闡述。
3.3 紅外控制節點
紅外信號的接收和編碼發射是紅外控制節點的研究重點,處理思想是:不管遙控器編碼[9]是什么格式,把原遙控器所發出的信號進行精確測量并緩存,對緩存高低電平、時寬等特征參數進行分析并識別分類,對提取系統碼及參數進行編號存儲,當需要發射時,再讀出儲存器內系統碼與特征參數并附加上用戶的操作碼發射出去。此方式的工作過程分以下幾步完成:對原始發射信號波形采集到主控MCU的RAM中、分析信號、存儲信號、發射信號。
圖5 監視節點軟件流程圖
紅外信號接收流程圖如圖6所示。接收信號波形的測量,需采用較高速主控制芯片,對原始信號的進行精密采集,同時采用了比較大的RAM作為信號的緩存。分析判別信號主要是對采集到的信號進行分析,比如對信號的發送周期、引導碼電平時間、數據編碼高低電平的時間、編碼位數據等參數進行細致分析,判斷出編碼類別,提取出特征參數便于下一步的存儲。
紅外信號發射流程圖如圖7所示。
圖6 紅外信號接收流程圖
圖7 紅外信號發射流程圖
信號還原發射是根據編碼類型查表率獲得特征參數,再調用發射函數將存儲的系統碼附加上用戶的操作碼調制發射出去。
4 結 語
目前,市場上基于ZigBee技術的家居電器[10]還只處在設計或者小范圍生產的階段,而紅外遙控型家電占據著大部分市場。著眼于ZigBee本身的技術優勢和未來發展趨勢,結合當前占據主要市場的紅外遙控型家電,本文作者研究開發了基于ZigBee與紅外的無線家居監控系統。測試表明:該套系統操作性強,可靠性高,成本相對較低,具有非常廣闊的市場應用前景。由于現有的技術研究尚不成熟,進行的只是一些初步的技術嘗試,還有一些亟待完善的地方,比如,如何實現遠距離的無遙控設備的控制,如何真正實現家居的智能化,如何在家庭中建立一個小型的智能控制局域網等,這樣使得其功能更加完善。作者未將就這一部分進行更深入的探究。
參考文獻
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[10]孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.
