基于ZigBee的家电远程控制技术研究

王青磊, 雷景生, 刘大明

(上海电力学院 a.电子与信息工程学院, b.计算机科学与技术学院, 上海　200090)



基于ZigBee的家电远程控制技术研究

王青磊a, 雷景生b, 刘大明b

(上海电力学院 a.电子与信息工程学院, b.计算机科学与技术学院, 上海200090)

摘要:为了解决现代家用电器种类多、操作复杂、管理难等问题,利用ZigBee技术、计算机控制技术和传感器技术,提出了基于ZigBee的家电远程控制技术.研究了ZigBee无线传感器网络协调器的硬件平台搭建,以及无线传感器节点控制模块的硬件设计.无线传感器技术在家电远程控制中具有较好的应用前景.

关键词：ZigBee技术; 家电远程控制; 协调器; 传感器节点

近几年,无线传感器网络技术[1]受到了越来越多的关注,得到了广泛的研究[2-4],其作为大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络,被广泛应用于工业控制、远程医疗、无线办公及楼宇自动化等领域.

ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术,能够很好地解决在低成本、低功率、低复杂度、低传输速率和小范围的网络中设备的无线通信.它在无线传感器网络中的应用已经得到国内众多学者的关注,并随着传统家居正朝无线远程控制、多媒体控制和数据高速传输的方向发展.ZigBee技术为传统家居和无线传感器网络的结合,为智能家居提供了很好的技术支持,文献[5]和文献[6]基于ZigBee无线通信技术提出了对室内温度控制的方案和环境监控系统.

为实现ZigBee无线传感器网络在家电控制领域的应用,本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的家电控制系统的设计方案,实现了通过移动手机或个人电脑对家用电器进行无线远程智能控制的实验目的.

1家电智能控制系统的硬件平台

在本文设计的家电智能控制系统中,硬件平台的搭建是关键,它对整个系统的稳定性、准确性、快速性、节能性都有直接的影响.它是实现对整个家居环境中家用电器的无线远程智能控制的基础.

整个系统的硬件结构原理图如图1 所示.

在ZigBee网络中包括ZigBee协调器与周围的子节点,本系统的无线传感器网络中ZigBee协调器是整个无线传感器网络的核心模块,而电器控制节点(温度传感器,湿度传感器,光照传感器,电压电流采集器等)则为周围子节点.

ZigBee协调器的主要任务是实现电器控制节点和外接扩展网络之间的通信,电器控制节点的任务就是采集数据、大量数据传输及实现电器控制.前者主要被分为关键控制模块(协调子节点的无线收发模块)、网络接收模块和GPRS通信模块等；后者是由终端接收模块、数据采集模块和控制模块等组成.远程控制端是个人的移动手机或者互联网电脑.

2ZigBee协调器

无线传感器网络协调器的设计是以S3C2410X嵌入式微处理器为核心.无线收发模块使用的是cc2420射频芯片,该射频芯片带有基带调制解调器,并对介质访问层提供支持,只需要天线和16 MHz晶体等非常少的外围电路就可以组成无线收发模块.GPRS模块被用于移动互联端的长距离数据传输,GPRS模块只需要微处理器芯片MC35i和外围电路就可实现,GPRS接口被用于协调器与移动手机之间的通信.Ethernet网络接口用于协调器和远程计算机之间的通信.

协调器由外扩存储器(Flash/SDRAM)、无线收发模块(cc2420)、Ethernet接口模块、GPRS通信模块、电话语音控制模块、触摸屏显示模块、电源和时钟模块、复位电路等组成,其硬件结构图如图2所示.

协调器可实现家电的多种远程智能控制:在本地利用触摸屏进行控制,设有一块触摸屏显示器,便于使用者在本地对家电的状态进行设置和查询,如家居环境的数据监测、家电控制状态等;无线远程控制,在家电控制节点和网络协调器处由cc2420芯片搭建无线通信模块,同时在网络协调器处利用GPRS和Ethernet接口来实现移动互联远程控制,用户可使用移动手机或计算机采用浏览器端/服务器达到随时随地监测家居环境数据和远程控制家用电器的目的.

ZigBee协调器建立并维护家电智能控制无线传感网络,它将来自嵌入式微处理器的控制指令通过无线发送模块转发到家电控制节点,并接收来自家电控制节点的数据.家庭网关是整个系统的通信枢纽,它负责通信网络的建立,以及与许多的终端节点(家电控制节点)之间数据传输和控制.

ZigBee协调器的工作流程包括系统的初始化、网络拓扑结构的更新以及节点之间的通信等,具体如图3所示.当系统运行时,家庭网关必须能够发现网络拓扑结构的改变,并且实现网络结构的自组织.

3家电控制节点

无线传感器网络的硬件设计中,传感器节点设计是关键和基础,传感器节点在无线传感网络的物理结构中处于最底层,它不仅承担为终端采集数据的任务,同时还要接受和执行来自控制终端的指令数据,并且实现家电控制信号的A/D和D/A转化.传感器节点的稳定性、数据采集和指令执行的准确性、节能性将决定整个无线传感器网络的工作性能.

本文设计的家电控制系统中的控制节点主要由能量供应模块、数据采集模块、节点控制模块(数据处理模块)、无线通信模块、电器控制模块等组成，其硬件结构原理如图4所示.

数据采集模块由多种传感器组合而成,如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、电流电压传感器(可以采集家用电器的电压、电流、功率、功率因子等数据)等.电源模块中使用的是TPS79533电源芯片,可以更好地保障整个控制节点的稳定性，减少能量消耗,同时将5 V电压转化为3 V电压.家电控制模块是通过继电器来实现的.

家电控制节点的开发是基于TI 公司的16 位微控制器MSP430芯片,它是整个节点控制模块的核心,无线收发模块使用的cc2430射频收发芯片.MSP430与cc2420之间的数据传输是通过SPI总线方式实现的,前者采用主模式,后者采用从模式.

3.1传感器节点控制模块

控制模块的核心是MSP430F1611芯片,其低成本和低功耗的特点可以优化家电控制节点的能耗问题.MSP430F1611芯片集成有2个16位的定时器,三通道内部DMA,一个快速的12位A/D转换器,一个双12位的D/A转换器.同时,还有两个串行通讯接口,其中一个串行接口(USART0)集成有3种异步通讯方式的接口,即SPI,UART，I2C,另外一个集成了两种异步通讯接口,即SPI和UART,完全能够满足数据传输的要求[7].在本文中采用了SPI 通信方式.

控制模块的功能主要是将传感器采集到的数据进行处理和存储,响应网络协调器的数据传输,执行控制终端的控制命令.

3.2传感器节点无线通信模块

节点通信模块使用的是Chipcon公司推出cc2420芯片,是一款符合IEEE802.15.4协议中2.4 GHz频段的低能耗射频无线收发芯片,带有直接序列扩频的基带调制解调器,其有效数据传输速率达250 kB/s.对介质访问层提供支持,介质访问层的数据帧格式为:头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为:同步帧+头帧+MAC帧,帧头数据的长度可以通过寄存器设置来改变.微处理器MSP430通过SPI总线与cc2420无线收发芯片相连,控制器(MSP430)充当SPI主器件,cc2420无线收发芯片充当从器件.cc2420无线收发器与微处理器芯片MSP430的接线图如图5所示.

cc2420只需要极少的外围元器件,其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路、微控制器接口电路3个部分[8].

cc2420通过4线SPI总线(SI，SO，SCLK，

CSn)来设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据,读/写状态寄存器等,在数据传输过程中,CSn引脚必须始终保持低电平.微处理器通过控制FIFO和FIFOP引脚来设置发射/接收缓存器,通过SFD引脚可以控制时钟/定时信息的输入.

电源模块中CC24K_AVDD是1.8 V电压,CC24K_DVDD是3.3 V电压.

cc2420芯片主要完成的任务是:通过SPI通信串口和MPS430芯片进行通信；通过无线RF实现与无线传感网络协调器的实时通信,响应协调器发出的符合节点地址的通信信号.

3.3家电远程控制接口电路

整个系统的家电控制模块主要由家电接口电路组成，如图6所示.

家用电器的接口电路主要由光耦合器模块和继电器模块组成,多种控制模块可以实现更多的家电控制,但整个被控设备的数量由控制芯片的CPU所限制.在图6中,光耦合器是一种由电流控制的光电耦合设备,广泛应用于电路端子双向选择系统的设计,本文使用的光耦合器是TLP521芯片,工作电压是5~24 V,0~5 V的模拟输入电压可以实现输入、输出电信号的良好隔离.当微处理器有控制信号发出时,光耦隔离开关就能通过控制继电器的通和断来实现对家电的控制功能.

4实验测试

该家电控制技术设计完成后,经过不断地调试、修改,能够很好地实现对实验室内用电设备的数据采集和智能控制的设计目标.实际测试中需要个人电脑一台,终端节点和协调器各一个,Android手机一部,台灯一个.

测试过程如下:

(1) 分别将Coordinator和EndDevice的程序下载到协调器和终端节点(控制节点);

(2) 将终端节点的传感器接好;

(3) 安装电脑上位机程序并运行;

(4) 设置通信串口和无线路由;

(5) 移动手机端安装应用软件;

(6) 设置移动手机的网路设置;

(7) 检查试验结果(使用手机远程控制灯具和采集到的传感器数据).

检查测试结果如图7所示.由于终端节点只有一个,在控制终端的软件显示界面中看到1#节点采集到的温度和湿度等传感器参数,并且能够通过GPRS或WiFi等来控制家电.本文设计的家电控制技术可以实现在移动互联端远程控制家电的运行状态,并能够采集到环境中的空气质量、温度、湿度等.

5结语

无线传感器网络在智能家居领域的应用已经

成为一个热点问题,以ZigBee无线传感器技术为基础的家电远程控制技术能够实现准确、实时的家电远程智能控制功能,解决了家用电器种类多、操作多、管理难的问题,而且该无线控制系统构造简单、控制方便、节能环保、外扩能力强,不需要对室内线路做任何改动,也不需要额外布线,适合一般家庭使用，在实际的开发与应用中具有重要意义.

参考文献：

[1]JENNIFER Yick,BISWANATH Mukherjee,DIPAK Ghosal.Wireless sensor network survey [J].Computer Networks,2008(8):2 297-2 230.

[2]杨俊杰.无线传感器网络在变电站安全检测中的应用 [J].上海电力学院学报,2013(3):225-229.

[3]刘志斌,雷景生,杜海舟.基于Tinyos的用电监测无线传感器节点设计 [J].上海电力学院学报,2015(1):68-72.

[4]雷景生,郝阳阳,郝伟.无线传感器网络的定位改进算法 [J].上海电力学院学报,2015(1):73-80.

[5]杨玮,吕科,张栋,等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发 [J].农业工程学报,2010(3):198-202.

[6]孙迎春,范剑英,徐建东,等.基于ZigBee 技术的井下瓦斯监测系统 [J].哈尔滨理工大学学报,2012(1):82-85.

[7]深圳金图旭昂通讯科技有限公司.CC 2420 中文手册精华部分 [DB/OL].[2010-06-02].http://wenku.baidu.com/view/a5e7fe2f0066f5335a81213a.html.

[8]Texas Intruments.MSP430 datasheet[EB/OL].[2010-10-11].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f16 11.pdf.

(编辑白林雪)

Appliances Remote Control Technology Research Based on ZigBeeWANG Qingleia, LEI Jingshengb, LIU Damingb

(a.School of Electronics and Information Engineering, b.School of Computer Science and Technology,

Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:In order to solve the problems of the big number of kinds,complex operation,difficult management of modern household appliances,ZigBee technology,computer control technology, sensor technology are utilized and appliances remote control based on ZigBee technology is proposed.Research is conducted on hardware design of the ZigBee wireless sensor network coordinator hardware platform and wireless sensor node control module.Wireless sensor technology has good prospects in household appliance remote control.

Key words:ZigBee technology; appliances remote control; coordinator; sensor node

中图分类号：TP13;TP212.9

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2016)01-0083-05

通讯作者简介：王青磊(1990-),男,在读硕士,山东泰安人.主要研究方向为无线传感器网络技术.E-mail:1015625366@qq.com.

收稿日期：2015-06-19

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.018