無(wú)線(xiàn)智能空調系統外圍電路的設計

摘要：基于Zigbee通信協(xié)議，設計了一種智能空調控制系統的外圍電路。系統以CC2530模塊為核心配置，采用DS18B20溫度傳感器、Nokia5110液晶及計算機監控系統等部件，通過(guò)上位機、單片機與傳感器三者相連，采集、存儲并控制系統的測量數據，進(jìn)而實(shí)現對空調系統的遠程控制。深入研究了PCB內部天線(xiàn)增強系統抗干擾能力的設計。

設計的無(wú)線(xiàn)智能空調系統，可以有效的遠程實(shí)時(shí)監測、控制室內溫度。

當今社會(huì )，人們對生活品質(zhì)要求越來(lái)越高，而傳統的家電已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求，因此智能家理念電悄然興起。智能家電是指將微電腦和通信技術(shù)融入到傳統的家用電器中，使之智能化并具有網(wǎng)絡(luò )終端功能，可以隨時(shí)隨地地獲取與處理信息的消費電子產(chǎn)品，其重要的特征是通過(guò)Internet傳遞數字信息?；诖?，設計了一種基于ZigBee通信協(xié)議的智能空調控制系統的外圍電路。結合原空調控制系統，可以遠程實(shí)時(shí)監測、控制空調的運行。

1 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢

二十一世紀以來(lái)，比較流行的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信分別有WIFI、Bluetooth、ZigBee，但是藍牙的傳輸距離短，WIFI的成本大、功耗高，而ZigBee低成本、低功耗、低復雜度的優(yōu)勢適合應用在短距離、傳輸信息少的無(wú)線(xiàn)控制系統中，更符合無(wú)線(xiàn)智能家電物美價(jià)廉、節能減排的綠色理念。因此，基于ZigBee通信協(xié)議的智能家電控制系統將是未來(lái)的發(fā)展方向。

2 ZigBee協(xié)議棧結構

ZigBee協(xié)議棧結構是由一組被稱(chēng)為層的模塊組成。下面的一層為上面的一層執行特定的服務(wù)，即數據實(shí)體提供了數據傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供了所有其它的服務(wù)。上層由服務(wù)實(shí)體通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)提供一個(gè)接口。物理層和媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層由IEEE802.15.4協(xié)議標準制定，網(wǎng)絡(luò )層和應用層由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數據連

接，MAC層控制數據包的物理尋址，網(wǎng)絡(luò )層是確定網(wǎng)絡(luò )傳輸路徑，應用層為應用程序服務(wù)。每層機構通過(guò)數據服務(wù)接口和管理服務(wù)接口進(jìn)行相鄰層之間的通信。

3 PCB內部天線(xiàn)的設計

使用PCB內部天線(xiàn)時(shí)，為了增強系統的抗干擾能力，需要設計精準的天線(xiàn)長(cháng)度。由CC2530芯片可以知道，系統的頻率f為2.4 GHz，光的傳播速度C0為3×108m/s，可計算真空中的波長(cháng)，如公式(1)所示：

λ=C0/f (1)

當電磁波在其他介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，可根據介質(zhì)與真空的介電常數計算在介質(zhì)中的傳播速度，如公式(2)所示：

由于在制作PCB板子時(shí)，介電常數還會(huì )受到PCB板子厚度h以及線(xiàn)寬w的影響，因此有效介電常數εoff如公式(3)所示：

設計的PCB板子的材料是FR4，該板子的介電常數為4.2，板子的厚度為1.6 mm，天線(xiàn)寬度為1 mm，計算出有效值為2.965，電磁波在板子中的波長(cháng)為72.594 mm，因此PCB內部天線(xiàn)的長(cháng)度設計為36.33 mm。

4 整體電路的系統設計

一個(gè)完整的ZigBee智能空調系統需要一個(gè)協(xié)調器，一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò )的搭建，路徑的分配和數據采集及傳輸任務(wù)?；赯igBee協(xié)議設計的外圍電路，系統框圖如圖1所示，無(wú)線(xiàn)智能空調系統外圍電路的結構是星狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)全功能協(xié)調器(采集模塊)，一個(gè)LCD液晶及溫度傳感器的測溫節點(diǎn)作為終端節點(diǎn)(傳感模塊)組成。

采集模塊通過(guò)串口與PC機相連，傳感器模塊被布置在家中的空調上，通過(guò)溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監測室內溫度，然后溫度數據以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給采集模塊，通過(guò)串口通信傳遞到上位機，家庭成員通過(guò)Internet遠程查看溫度;也可以遠程設定空調溫度，即通過(guò)上位機進(jìn)行溫度數據的設定，進(jìn)而反向傳輸到傳感模塊的LCD液晶上顯示。

5 系統的硬件設計

硬件電路主要由傳感模塊、采集模塊和電源模塊組成。

5.1 通信模塊的選擇

設計過(guò)程中為了增加中心節點(diǎn)的數據存儲和處理的能力，選用了帶有256 K Flash和標準8051增強型處理器的CC2530作為核心模塊。

CC2530模塊是一款完全兼容8051內核，同時(shí)支持IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)射頻單片機，該款模塊能滿(mǎn)足Z—Stack運行內存容量的要求;支持2.0～3.6 V供電電壓，具有3種電源管理模式：?jiǎn)拘涯Ｊ?、睡眠模式、終端模式;傳輸距離大于75 m，最高傳輸速率250 kbps，非常適合應用在智能空調上?；贑C2530模塊最小系統原理圖如圖2所示。

5.2 采集模塊的硬件設計

采集模塊主要負責建立、管理和維護網(wǎng)絡(luò )。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉換電路、電源電路、串口、復位鍵、指示燈以及天線(xiàn)組成。由于CC2530模塊的工作電壓是3.3 V，所以采用電壓轉換芯片REG1117把5 V電壓轉換為3.3 V。指示燈是用來(lái)表示采集模塊是否成功建立網(wǎng)絡(luò )等狀態(tài)信息。采集模塊通過(guò)點(diǎn)播的形式發(fā)送控制指令給傳感模塊，發(fā)送的數據格式最多用5字節表示。

5.3 傳感模塊的硬件設計

傳感模塊是智能空調控制系統的終端節點(diǎn)。傳感模塊除了包含有采集模塊組成部分外，還具有溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示部分。傳感模塊需要一個(gè)串口線(xiàn)即可實(shí)現DS 18B20溫度傳感器和PC機的雙向通信。

當溫度傳感器檢測到溫度時(shí)，CC2530對數據進(jìn)行處理，為傳輸數據做好準備，通過(guò)LCD顯示出來(lái)并發(fā)送給采集模塊。上位機設定溫度后，通過(guò)采集模塊反向傳給傳感模塊并在LCD上顯示。當傳輸或接受完畢后，傳感模塊進(jìn)入休眠模式，使控制器進(jìn)入低功率模式來(lái)延長(cháng)電池壽命。

5.4 電源電路設計

電源電路為智能空調系統的其他功能模塊供電，保證模塊的正常工作。模塊中，下載設備和調試設備需要5 V供電，芯片CC2530需要3.3 V供電，因此采用電壓轉換芯片進(jìn)行電平轉換。為了充分滿(mǎn)足不同工作環(huán)境，系統采用3種供電方式：電池供電、USB供電、穩壓電源直流供電。

6 系統的軟件設計

系統集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench ForC8051，在此環(huán)境下完成對CC2530程序的編程、編譯、調試，利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的

下載工作。軟件設計主要采用TI公司CC2530提供支持的免費ZigBee協(xié)議軟件，以C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，在Z—Stack通用模板的基礎上通過(guò)改動(dòng)APP程序，來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)智能空調的控制。

6.1 采集模塊軟件設計

采集模塊程序包括系統初始化、信道掃描、協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )、允許子節點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )和接收節點(diǎn)數據等代碼程序。當系統上電后，首先初始化軟硬件，建立網(wǎng)絡(luò )并給每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)分配ID地址，然后系統進(jìn)入監聽(tīng)狀態(tài)，當協(xié)調器接收到無(wú)線(xiàn)傳感模塊終端發(fā)送的命令時(shí)，再發(fā)送控制命令到節點(diǎn)就可以實(shí)現對空調溫度的控制。采集模塊程序流程圖如圖3所示。

采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配的地址時(shí)，是按樹(shù)型結構不同層d的深度對傳感模塊進(jìn)行地址分配的，其不同層d分配的地址之間的間隔為Cskip(d)，公式如(6)所示：

其中，Lm是結構的最大深度;Cm是組網(wǎng)中能擁有傳感模塊的最多個(gè)數;Rm是組網(wǎng)中路由器的最多個(gè)數。

當設備地址之間的間隔為0時(shí)，說(shuō)明組網(wǎng)中沒(méi)有路由器，因此不能接受任何傳感設備。當地址之間的間隔大于0時(shí)，才可以給傳感模塊分配地址。

當采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配地址時(shí)，首先給第一個(gè)子模塊分配比自身地址大1的組網(wǎng)地址，然后以地址之間的間隔Cskip(d)為公差依次進(jìn)行遞增，之后依次分配給其他子模塊。地址分配如公式(7)所示：

公式(7)中，上面的式子是為多個(gè)傳感模塊分配的地址公式，下面的式子是為多個(gè)路由器分配的地址公式，Aparent為采集模塊自身的地址。

6.2 傳感模塊軟件設計

傳感模塊會(huì )自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò )，發(fā)出綁定請求，等待采集模塊綁定響應。如果沒(méi)有響應，傳感模塊將會(huì )周期性的繼續搜索。如果綁定成功，會(huì )每隔1 s發(fā)送溫度數據，然后再分兩個(gè)路徑分別傳遞，一是通過(guò)無(wú)線(xiàn)ZigBee技術(shù)傳遞給采集模塊，另一個(gè)是直接在LCD液晶進(jìn)行顯示。當傳感模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)ZigBee技術(shù)接收到采集模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的命令數據時(shí)，數據也會(huì )在LCD液晶屏上顯示。傳感模塊程序流程圖如圖4所示。

7 系統的測試結果及分析

無(wú)線(xiàn)智能空調外圍電路的測試結果分為兩個(gè)部分，一是上位機上顯示的每隔1 s采集的溫度數據及我們對空調設定的溫度。另一部分是通過(guò)LCD液晶顯示的室內溫度和通過(guò)無(wú)

線(xiàn)傳輸接收到的設定的溫度，如圖5所示。

測試結果表明：無(wú)線(xiàn)智能空調外圍電路控制系統能夠實(shí)現對室內溫度的實(shí)時(shí)采集，以及遠距離的無(wú)線(xiàn)傳輸的控制，系統具有數據精準、體積小、移植性強、傳輸距離可達20m左右，可穿透障礙物等特點(diǎn)，具有廣闊的應用前景。

8 結束語(yǔ)

系統是基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)智能空調外圍電路的設計。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無(wú)線(xiàn)智能空調控制系統更具有移植性強，省電，靈活小巧等優(yōu)點(diǎn)，可以應用在很多場(chǎng)合，方便人們的生活。PCB內部天線(xiàn)的長(cháng)度設計為36.33 mm使抗干擾能力增強，收發(fā)數據精準。系統以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數據的傳輸，避免了傳統排線(xiàn)繁瑣的缺點(diǎn)，更適用于當今社會(huì )的需要。