基于ZigBee的智能窗控制系統設計

摘要：為了達到窗體智能監控及遠程控制的目的，設計引入了ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )作為家庭的內部網(wǎng)絡(luò )，并將多種傳感器和窗體控制器連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò )中。通過(guò)GSM模塊、ZigBee模塊實(shí)現對窗體的手機遠程控制、入侵報警、風(fēng)雨報警以及煙霧報警等多種控制手段。給出了系統的軟硬件實(shí)現，并對傳感器選型以及各個(gè)功能的具體實(shí)現進(jìn)行了詳細的說(shuō)明。實(shí)驗表明了該系統在家庭應用中的可行性。

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，智能控制系統已經(jīng)成為了我們生活不可分割的一部分，人們不僅需要居住環(huán)境舒適、溫馨，還要求其智能、安全?？梢哉f(shuō)，智能型的家庭安全系統已經(jīng)開(kāi)始逐漸地深入到我們生活的方方面面。早在21世紀初，國內就有關(guān)于智能窗控制系統的研究，使窗戶(hù)具有一定的智能性，如下雨則自動(dòng)關(guān)窗、室內有害氣體超標則自動(dòng)開(kāi)窗、有盜賊入內則自動(dòng)報警等，人們還可以通過(guò)控制鍵盤(pán)來(lái)直接控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)，給人們的生活帶來(lái)了諸多方便。然而隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)一步完善，這種智能窗的功能已略顯單薄，本文研究的智能窗控制系統基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，是智能家居系統中的一個(gè)子模塊，其實(shí)用性較目前市場(chǎng)上的大多數智能窗戶(hù)得到極大的提升。系統中加入了ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，實(shí)現窗體與中心控制模塊、中心控制模塊與傳感器間的無(wú)線(xiàn)通信;加入的GSM模塊建立起了“人機對話(huà)”系統，實(shí)現了戶(hù)主對窗戶(hù)的遠程監控;中心控制模塊還能夠根據傳感器的信息或戶(hù)主的手機短信指令作出判斷，實(shí)現對窗體進(jìn)行控制，使窗戶(hù)真正“智能”起來(lái)。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

智能窗系統主要由中心控制模塊、傳感器模塊、GSM模塊、窗戶(hù)控制模塊組成;所設計系統自身能夠通過(guò)傳感器檢測外部環(huán)境變化來(lái)控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān);在窗戶(hù)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，GSM模塊將當前窗戶(hù)的狀態(tài)以及開(kāi)啟或關(guān)閉的原因以手機短信的方式反饋給戶(hù)主;戶(hù)主經(jīng)判斷后可以發(fā)送手機短信指令控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)或采取相應的措施;另外，戶(hù)主也可在室內通過(guò)室內遙控器實(shí)現對窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)的進(jìn)行控制，系統的結構如圖1所示。

1.2 系統組成

系統主要包括以下幾個(gè)模塊組成：

1)中心控制模塊。采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的高性能、低功耗MCU MC9S08GB60實(shí)現。主要負責接收傳感器、紅外模塊等發(fā)送的外部環(huán)境信息，對外部環(huán)境信息進(jìn)行判斷后，對窗體發(fā)送相應的動(dòng)作指令，同時(shí)觸發(fā)GSM模塊，向戶(hù)主發(fā)送手機短信報告當前窗戶(hù)的狀態(tài)。

2)傳感器模塊。溫度傳感器和濕度傳感器分別采用美國Dallas公司DS18B20數字式溫度傳感器及國產(chǎn)DHT11數字式溫濕度傳感器。兩種傳感器均采用單總線(xiàn)方式與MC9S08GB60通信，能有效減少對I/O口的占用數量。通過(guò)濕度傳感器監測，當室外下雨時(shí)，通過(guò)控制電機使窗戶(hù)及時(shí)關(guān)閉;通過(guò)氣敏傳感器監測，當室內可燃性氣體或煙霧超過(guò)特定標準時(shí)，窗戶(hù)自動(dòng)打開(kāi)通風(fēng);通過(guò)溫度傳感器監測，當室內的溫度超過(guò)預設值時(shí)能開(kāi)窗換氣，調節室內溫度，這一動(dòng)作的前提為當室外沒(méi)有下雨或盜情時(shí)，本系統采用對CO氣體、天然氣、液化氣、城市煤氣和煙霧有較好靈敏度的MQ-2氣體煙霧傳感器。

3)紅外傳感器模塊。紅外傳感器采用的是HC-SR501人體紅外傳感器模塊;當窗戶(hù)外有人接近，阻斷了紅外傳感器的發(fā)射接收通路時(shí)，窗戶(hù)會(huì )立刻關(guān)閉并發(fā)出聲音報警，同時(shí)將這一情況以手機短信的形式發(fā)送給戶(hù)主，起到防盜報警作用。

4)GSM模塊。采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的TC35i模塊，工作頻段為雙頻GSM900MH/GSM1800MHz，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標準的AT命令接口，為數據、語(yǔ)音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶(hù)的應用開(kāi)發(fā)及設計。GSM通過(guò)串行總線(xiàn)RS232與MC9S08GB60連接。在執行開(kāi)啟和關(guān)閉窗戶(hù)的動(dòng)作時(shí)，中心控制模塊通過(guò)GSM模塊向戶(hù)主發(fā)送手機短信告知戶(hù)主窗戶(hù)狀態(tài)及動(dòng)作原因。戶(hù)主也可通過(guò)手機短信的方式遠程控制窗戶(hù)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

5)ZigBee模塊。采用飛思卡爾MC13213模塊實(shí)現，內部集成了MC13192射頻模塊和一個(gè)飛思卡爾S08系列低功耗MCU。ZigBee模塊可配置為串口通信方式。其中，傳感器與中心控制模塊、中心控制模塊與窗戶(hù)之間通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊。

6)窗戶(hù)控制模塊。本系統采用的是國產(chǎn)森蘭HL/LG型電動(dòng)螺桿式開(kāi)窗器，其工作電壓為直流24 V或交流220 V，推拉力量為1 000～2 000 N，推動(dòng)速度為5～10 mm/s，行程距離為400～1 000 mm。該開(kāi)窗器推桿為不銹鋼材質(zhì)，擁有平滑，暢順的強力輸出，運行穩定，并具有過(guò)載保護裝置。

2 系統軟件設計

1)初始化程序。包括MC9S08GB60單片機的初始化，GSM模塊的初始化，定時(shí)器/計數器初始化以及開(kāi)中斷。

2)濕度傳感器。采用的濕度傳感器是DHT11，MC9S08GB60與其之間的通訊采用單總線(xiàn)數據格式，一次通訊時(shí)間4 ms左右，數據分小數部分和整數部分。一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。MC9S08GB60發(fā)送一次開(kāi)始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開(kāi)始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40 bit的數據，并觸發(fā)一次信號采集。從模式下，DHT11接收到開(kāi)始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機發(fā)送開(kāi)始信號，DHT11不會(huì )主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數據后轉換到低速模式。

3)溫度傳感器。MC9S08GB60d對DS18B20的寫(xiě)操作指令為：數據線(xiàn)先置低電平“0”;延時(shí)確定的時(shí)間為15 μs;按從低位到高位的順序發(fā)送字節(一次只發(fā)送一位);延時(shí)時(shí)間為45μs;將數據線(xiàn)拉到高電平;所有的字節全部發(fā)送完后將數據線(xiàn)拉高。MC9S08GB60d對DS18B20的讀操作指令為：數據線(xiàn)拉高“1”;延時(shí)2μs;將數據線(xiàn)拉低“0”;延時(shí)15μs;將數據線(xiàn)拉高“1”;延時(shí)15μs;讀數據線(xiàn)的狀態(tài)得到1個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數據處理;延時(shí)30μs。

4)氣敏傳感器。MC9S08GB60對MQ-2的連接為使用MC9S08GB60的模數轉換接口，MQ-2的模擬量輸出為0-5 V，氣體濃度越高電壓輸出越高?？梢酝ㄟ^(guò)定時(shí)器定時(shí)讀取電壓值并與設計好的門(mén)限電壓比較來(lái)判定是否發(fā)生了漏氣現象。

5)MC9S08GB60與GSM的軟件接口其實(shí)就是單片機通過(guò)RS232與GSM短信息有關(guān)的AT指令控制手機的控制技術(shù)，是一種操作控制GSM模塊的軟件協(xié)議的集合，通過(guò)編寫(xiě)程序軟件利用串口收發(fā)AT指令達到控制GSM模塊收發(fā)短信的目的。AT指令控制短消息發(fā)送有兩種常用模式，即TEXT模式、PDU模式。PDU模式可以采用unicode編碼發(fā)送英文、漢字。本系統設計采用GSM模塊的PDU模式進(jìn)行短消息的收發(fā)。

系統軟件流程圖如圖2所示。

3 結束語(yǔ)

文中重點(diǎn)討論了智能窗系統結構設計、軟件設計，在經(jīng)過(guò)調試后，基于單片機、ZigBee模塊、GSM模塊、溫濕度傳感器、紅外傳感器等模塊設計的智能窗系統很好地完成了設計要求。本設計方案兼顧通用性、擴展性和性?xún)r(jià)比，還可以推廣應用到大部分家用電器上，比如電燈、洗衣機、電冰箱等的遠程控制上，具有廣闊的技術(shù)應用與產(chǎn)業(yè)化前景。