基于嵌入式的无线智能家居控制系统设计

熊少义 朱 凯

（1.电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731；2.中国移动通信集团河南有限公司商丘分公司，河南 商丘 476000）

基于嵌入式的无线智能家居控制系统设计

熊少义1朱 凯2

（1.电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731；2.中国移动通信集团河南有限公司商丘分公司，河南 商丘 476000）

家居智能远程控制已经备受关注，在现场级使用无线取代有线已经成为必然的发展趋势，文章主要针对现在社会的需要以节能灯为例，设计了一种基于ZigBee的无线自组网络的通信方式，利用协调器收集无线自组网节点的信息并将信息通过ARM搭建的webserver进行网络传输，从而实现通过Internet来查看和控制节能灯的目的，并对于设计中的关键技术ZigBee协议、LED灯驱动、websrver的搭建、以及TCP/IP协议进行详细分析，提出了目前家具智能控制中存在的不足，具有一定的参考价值和使用价值。

无线控制；自组网；LED驱动；ZigBee协议；TCP/IP协议

无线技术的快速发展使其在家庭智能控制、消费电子业、农业和医疗等多个领域得到了大量的应用和发展。但是随着通信距离的增加，设备的复杂度功耗以及成本都在增加，传统的无线应用大部分转向了Bluetooth技术，近几年ZigBee协议的出现打破了这种局面。ZigBee协议是种新兴的、近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术，通信速率最大能达到250kbps，它以接力的形式通过无线电波将数据从一个传感器节点传送到目的传感器节点，通信效率非常高。性能决定了潜力，ZigBee协议的发展将不可限量。另外，快速的生活节奏让人们对于家居智能化控制的要求越来越高，远程控制家居设备将很快在各大城市普及，为给人们带来方便，越来越多的企业巨资投入家居智能控制产业，使这一产业得到快速发展。文章结合实际设计了一种家居无线控制系统，并对其进行实现。同时也提出了系统中存在的不足和今后改进的方向。

1 系统设计的总体方案

家居无线控制系统根据使用的技术可以分为现场级和远程控制级，现场级采用ZigBee协议进行无线传输，利用ZigBee系统中的协调器将各个节点中LED的信息收集起来，存放在ARM搭建的webserver，在远程控制级使用Internet在网页浏览器中输入webserver的IP地址，将各个节点的信息通过以太网传输以网页的形式显示出来，然后就可以对其进行控制，系统的示图如图1。

图1 系统设计图示

2 现场级设计

2.1 ZigBee协议的介绍

ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准

研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。是一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线传感器网络技术。ZigBee 技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC 层和数据链路层采用了IEEE 802.15.4 标准，并在此基础上由Zigbee 联盟制定了应用会聚层、应用层规范（API）和网络层，组成了Zigbee 协议标准[1]。整个协议架构如图2所示。ZigBee网络是由终端（ZigBee Endpoint，ZE）、路由（ZigBee Router，ZR）、和协调器（zigbee Coordinator，ZC）三种设备构成[2]，其中终端是简化功能设备（Reduced Function Device，RFD）即只能够与路由或者协调器直接通信，路由是全功能设备（Full Function Device，FFD）即既可以和路由和终端直接通信也可以和协调器直接通信，协调器是PAN 协调器（PANC）即它负责一个PAN区域的网络建立及管理。仅通过简单的8 位微处理器和4 K 的系统资源就能完成其协议功能。网络协调者ZC协调各个节点形成网络，并与其它的路由或终端装置连接，能够收集到各个节点的信息。系统中使用了TI公司的CC2530作为节点的控制芯片，芯片–适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能需要极少的外接元件并且可编程的输出功率高达4.5 dBm，IR发生电路具有捕获功能的32kHz的睡眠定时器，硬件可支持CSMA/CA机制和精确的数字化RSSI/LQI电池监视器还有温度传感器，最主要的是还具有8 路输入和可配置分辨率的12位ADC，完全能够满足项目的需求。

图2 ZigBee协议架构

2.2 节点原理图的设计

系统的节点采用的是TI公司的CC2530作为射频模块的主芯片，它适应2.4GHz IEEE 802.15.4标准的RF收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达4.5 dBm，只需极少的外接元件，一个晶振，即可满足网状网络系统需要，适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：ETSI EN 300 328 和EN 300440（欧洲），FCC CFR47 第15 部分(美国)和ARIB STD-T-66（日本），它的最大特点是低功耗；主动模式RX（CPU 空闲）：24mA；主动模式TX 在1dBm（CPU 空闲）：29mA；供电模式1（4μs 唤醒）：0.2 mA；供电模式2（睡眠定时器运行）：1μA；供电模式3（外部中断）：0.4 μA。并且它还具有较宽的电源电压范围（2 V～3.6 V）。微控制器部分是采用优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，它具有强大的5 通道DMA，IEEE 802.5.4 MAC 定时器，具有捕获功能的32-kHz 睡眠定时器并且硬件支持CSMA/CA和精确的数字化RSSI/LQI还有电池监视器和温度传感器和8路输入和可配置分辨率的12 位ADC，在I/O端口部分他具有2个支持多种串行通信协议的强大USART和21 个通用I/O引脚（19×4 mA，2×20 mA）还有看门狗定时器，优良的性能和丰富的资源是CC2530能够满足系统的要求。CC2530的原理图如图3。

图3 CC2530原理图

2.3 现场级原理框图

现场级的工作模块有电源模块、CC2530射频通讯模块、光控模块、温控模块、串口单元、调试接口，LCD显示部分（只在协调器上），PT4115驱动模块和JTAG调试接口部分，其中CC2530射频模块的能够根据接收到的命令产生不同脉宽比的PWM脉冲来控制LED灯的亮暗程度。

图4 现场系统框图

在现场的工作流程如下：系统采用24V直流为LED驱动供电，射频模块使用的是经过24V变压为3.3V的直流，光控模块采用的是TPS851，温控模块采用的是TC77模块其工作过程将在2.3.1介绍，CC2530上电后加入协调器组建的网络中，进行一些列的初始化，然后将协调器给自己分配的MAC地址发送到协调器，由协调器将新加入的节点信息发送给上位机，然后节点将通过协调器与上位机交互，其具体交互命令如表1：

表1 交互命令表

当协调器收到上位机发送的“$set address”时，协调器改变发送对象的地址为指定的地址，若为0xFFFF则需要协调器进行广播；当协调器收到“$set find”，则转发这条命令给各个节点，各个节点收到命令后会将自己的MAC地址和母节点的MAC地址发送给协调器，协调器进行记录；当协调器接收到命令“$get temp”或者“$get batt”后转发给各个节点，各个节点收到命令后会采集温度和电量值然后发送给协调器，协调器将保存；当协调器收到命令“$nwk updata”时，协调器会将命令转发给各个节点，各个节点收到命令后将对与自己直接路由的节点进行检查，如果有僵死的节点，母节点将删除该节点的记录；协调器接收到命令“$pwmp[0-8]”时候，将命令转发给各个节点，各个节点将根据pwm后面数字的大小来定义PWM脉冲的占空比，从而控制LED灯的亮暗程度；系统协调器将通过串口和上位机进行通信，将节点的相关信息传送到上位机。

2.4 温控模块的设计

系统的温控模块采用的是TC77，它能够检测出外界的温度，能够使用9位来表示温度的整数部分，7位来表示温度的小数部分，精确度高，能够将温度的摄氏度和华氏度相互转换，具体的温度值由CC2530的命令来采集，采集过程如图5。节点上电，MCU即CC2530进行一系列初始化，然后对环境变量进行初始化，如果采样周期未到达则继续等待，采样周期到达后读取TC77中的温度值，由于温度值是由16位二进制构成，采样过程中需要对其进行转换，如果转换完毕则判断获得值是否合法，如果是负值则对其求补码，检测是否将温度值转换为华氏度的标志，如果标志为1，则对摄氏度进行转换为华氏度，若标志位没有置位，直接将读取的温度值放在寄存器LEDREG中，当协调器发送读取命令时，直接将放在寄存器中的值发送给协调器即可。

图5 温度读取流程图

2.5 LED驱动的设计

系统以控制家居中的LED作为实例之一，实现对LED的亮暗程度的控制，系统中使用TI公司的CC2530 模块对LED亮暗程度进行控制，LED的主控芯片采用是PT4115。它有很宽的输入电压范围：从6V到30V，最大输出1.2A 的电流，复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM 调光，5%的输出电流精度，LED开路自然保护，高达97%的效率，输出可调的恒流控制方法，增强散热能力的 ESOP8 封装可用于大功率驱动。设计原理图如图6.系统中采用了采样电阻为0.33欧姆，LED采用3W，DIM端口接收PWM输入，输入频率最大到20KHZ，系统由CC2530的P1.2借口来产生，采用频率为100Hz的PWM，频率f=24MHz/Prescare(T1CTL设置)/ T1CC0，设置定时器1为模模式的“设置输出为向上比较模式”（T1CCTL设置），即计数器从0计数到T1CC0，0<= T1CC1<=T1CC0，这样就能产生PWM波形，脉冲宽度的设置可以使用改变T1CC1的值来改变，从而改变灯的亮暗程度，设脉冲宽度的比例为D，则输出恒定电流的值 Iout=(0.1*D)/Rs,实验测试当 D=1、7/8、6/8、…、0，I= 0.04、0.08、0.11、0.16、0.19、0.24、0.28、0.32（单位A），基本上和理论值一样。

3 网络部分的设计

系统采用三星公司的TQ2440作为服务器的宿主机，系统的频率能到达500MHZ，有256M的内存，能够充分的满足系统需要，webserver采用BOA+CGI+HTML来实现。具体的数据交互框图如图7所示。

图7 数据交互框图

向客户端返回请求结果等任务。它的工作过程主要包括：

图6 驱动原理图

驱动电路的损耗由RS损耗（0.1*Iout=0.1*0.32）、电感损耗（DCR*Iout2=0.128*0.32*0.32）、功率开关导通损耗（Rsw*Iout2=0.6*0.32*0.32）、功率开关开关损耗（正比于开关频率）等主要部分组成，计算后可知此驱动效率达到90%，完全达到节能的目的；另外在做PCB版图时候需要注意合理的PCB 布局对于最大程度保证系统稳定性以及低噪声来说很重要。使用多层PCB 板是避免噪声干扰的一种很有效的办法。为了有效减小电流回路的噪声，输入旁路电容应当另行接地，PCB铜箔与PT4115 的散热PAD和GND的接触面积面积要尽可能大，以利散热。SW端处在快速开关的节点，所以PCB走线应当尽可能的短，另外芯片的GND端应保持尽量良好的接地。还有布板中要注意的电感应当距离相应管脚尽可能的近一些，否则会影响整个系统的效率。另外一个需要注意的事项是尽量减小RS 两端走线引起的寄生电阻，以保证采样电流的准确。(a)完成 Web 服务器的初始化工作，如创建环境变量、创建TCP 套接字、绑定端口、开始侦听、进入循环结构，以及等待接收客户浏览器的连接请求；(b)当有客户端连接请求时，Web 服务器负责接收客户端请求，并保存相关请求信息；( c)在接收到客户端的连接请求之后，分析客户端请求，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息，同时根据请求做出相应的处理；(d)Web服务器完成相应处理后，向客户端浏览器发送响应信息，关闭与客户机的TCP连接。嵌入式Web 服务器Boa 根据请求方法的不同，做出不同的响应。如果请求方法为HEAD，则直接向浏览器返回响应首部；如果请求方法为 GET，则在返回响应首部的同时，将客户端请求的URL 目标文件从服务器上读出，并且发送给客户端浏览器；如果请求方法为 POST,则将客户发送过来的表单信息传送给相应的CGI 程序，作为CGI 的参数来执行CGI 程序，并将执行结果发送给客户端浏览器。Boa 的功能实现也是通过建立连接、绑定端口、进行侦听、请求处理等来实现的。

4 结论

经测系统工作稳定，能够通过互联网对室内LED进行控制，在室内无障碍15 m 左右距离，无遮挡物环境下速率能够达到250 kbps； 通信的误码率可小于2%。系统在发射状态下耗电为25.7 mA，接收时为29.3 mA，休眠状态下仅为2.5 μA。系统将新型短距离无线通信技术ZigBee 运用于节能灯控制网络设计中，从而省掉了系统布线，使传感器安装快捷、组网容易、成本低。运用CC2530 新型单片机控制，可提高传感器的灵敏度和可靠性。本系统具有低成本、低功耗、实施简单、远程控制的特点，但是系统存在不足是功能单一，系统只仅仅通过控制LED来演示效果，还不能完全联通其他家具设备，在以后的工作中需要完善。但是系统构建和实现具有很高的参考价值。

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Design and Implementation Of Smart Home System

Home intelligent remote control has been concerned greatly，it is an inevitable trend of development that wireless replacing wired will be used in the field level. This article which focused on the needs of society introduces a design of ZigBee-based wireless self-organizing network communication form based on the energy saving lamp need. It uses the coordinator to collect information of ZigBee-based wireless self-organizing network node and transmits the information through the webserver built by ARM to achieve the purpose of viewing and controlling the energy saving lamp through the Internet. In this paper it analyzes the key technologies of ZigBee protocol, LED lamp driver, websrver structures as well as TCP / IP protocol in detail and propose the disadvantages of furniture intelligent control. This is of certain reference value and use value.

Wireless Control; self-organizing network; LED driver; ZigBee protocol; TCP / IP protocol

TP393

A

1008-1151(2011)08-0025-04

2011-04-15

熊少义（1986－），男，电子科技大学电子工程学院硕士，从事于嵌入式无线通信；朱凯，男，中国移动通信集团河南有限公司商丘分公司市场经营部，从事移动通信的研究。