一种基于ZigBee技术的智能窗帘控制系统

2016-07-01作者何谐井新宇胡远航江阴职业技术学院

电子制作 2016年9期

作者 / 何谐、井新宇、胡远航，江阴职业技术学院

作者 / 何谐、井新宇、胡远航，江阴职业技术学院

针对市面上大多数电动窗帘无法直接连接智能家居物联网，集成度较差的情况，运用ZigBee技术、采用CC2530芯片作为主控，由协调器、路由节点、终端节点、网关PAD等来构建一种智能窗帘控制系统无线网络。通过网络中光线监测传感器节点在线监测当前光线强度，并根据当前光线值和系统时间来自动控制网络中对应的窗帘电机节点，从而实现窗帘的智能光控。实验测得，该系统信息传输稳定，满足智能家居工程设计要求。

ZigBee；窗帘电机；智能家居；CC2530

引言

目前，随着人们对智能舒适生活的不断追求，智能家居概念的不断普及，系统的集成度也越来越高，逐步形成了以物联网技术为核心的智能家居系统。电动窗帘作为智能家居系统必不可缺的一部分，也渐渐走入了我们的日常生活，成为了智能建筑的基本设施。市面上大多数电动窗帘的控制方式依然是利用红外遥控窗帘的闭合以及开启，无法直接连接智能家居网络，集成度较差。故设计一种基于物联网技术的智能窗帘系统，通过构建ZigBee无线网络，无需布线就可将现有的电动窗帘集成到系统中，再利用无线光线传感器节点在线监测光线强度，实现自动控制窗帘的开启与关闭。系统也考虑到人性化的设计要求，可将光线值和窗帘状态及时显示在嵌入式网关PAD上，并设置有控制按钮，兼顾人工手动控制。

1. 系统设计

■1.1 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE 802.15.4 标准的无线传输技术，工作频段为2.4 GHz、 915 MHz 以及868MHz，其中2.4 GHz频率上可提供250kb/s（16个信道）的传输速率。ZigBee无线传输技术具有低速率、低功耗、低成本的特点，传输距离是介于10～100m的短距离。

构建ZigBee无线网络主要由三种节点构成：半功能节点（RFD）设备终端、全功能节点（FFD）路由节点以及全功能节点（FFD）协调器。它们之间可由无线通信组成星型、树形或网状网络拓扑结构，每个网络中协调器都是唯一的，它负责整个网络的建立和调度。ZigBee无线网络的组网采用了自组网的技术，每个接入点都具备自动寻找路径的功能，节点和节点之间可直接连接，也可以通过其他节点跳接，形成“多跳”网络。

■1.2 系统组网

智能窗帘系统的主要部分是Zigbee无线网络节点构成的光线监测节点和与其对应的窗帘电机控制节点、路由节点和协调器，协调器连接嵌入式网关PAD，实现现场监控，下图1为系统结构。

系统上电之后，由协调器自动组建ZigBee网络，光线传感器所连接的终端节点组成光线监测节点，将采集到的光线值通过ZigBee网络传递到协调器，由协调器经串口上传到PAD，PAD根据光线值做出合理的调配，发送指令回传到ZigBee网络中对应的窗帘电机控制节点，窗帘电机控制节点是由终端节点带动窗帘电机组成，路由节点起到路由搜索和中继信号的作用。

图1 系统结构

2. 系统硬件设计

■2.1 ZigBee核心芯片

网络节点的核心处理器均为TI新一代系统（SoC）芯片CC2530，它内部集成了高性能的射频（RF）收发器和增强型的8051控制器核心，支持TI提供的Z-StackTM网络协议栈。由于CC2530的超低功耗的特点，网络中的光线监测节点、路由、协调器仅需采用电池便可长时间工作。

■2.2 协调器和路由节点电路

协调器和路由节点的CC2530主控电路部分相同，如图2所示，CC2530芯片的晶振电路包括32 MHz 无源系统主晶振和32.768 kHz的可选时钟晶振。射频（RF）部分的外围电路主要是阻抗匹配网络，使其输入/输出阻抗为50Ω，电路天线可外接SMA胶棒天线。

图2 CC2530主控电路

协调器和路由节点在CC2530主控电路的基础上，再加入指示灯，用于指示网络的建立、入网、退网等状态，设计按键，用于复位、定时通信和即时通信。另外，协调器还设计串口转换电路，采用SP3232芯片来实现TTL信号与DB9接口的电平的转换，便于连接嵌入式网关PAD。

■2.3 光线监测节点

光线监测节点则是在CC2530的主控电路之上连接光线传感器电路，光线值的测量采用数字化的光线传感器BH1750芯片，构成如下图3所示的光照传感电路，可测得光线范围为0～65535勒克斯（Lux）。

图3 光线传感器电路

图3中II_SCL和IIC_SDA接CC2530主控电路的P1.3、P1.4引脚，数据值的采集由CC2530的8051内核控制器来获取，按I2C总线协议从BH1750芯片存储器中取得。而数据值在ZigBee网络中的信息交换则由射频（RF）收发器来完成。由于监测节点电路采用3节1.5V电池串联供电，因此必须采用电源转换电路转换为3.3V标准工作电压才能为CC2530的主电路和光线传感器电路供电，光线监测节点电路框图如图4所示。

图4 监测节点电路结构

■2.4 窗帘电机控制节点

窗帘电机选用杜亚DT82TN型管状窗帘电机，它通过转动带动轨道内同步带，同步带又带动挂钩，实现窗帘的开闭，并内带自动限位装置。该电机由220V交流供电，带有干触点控制接口，通过电话线水晶头可引出四个触头，其中一个为COM端，触头K1、K2、K3分别与COM端连接，可实现正传、反转、停止三种功能。

为实现由ZigBee终端节点来控制该窗帘电机的转动，节点将电机控制触头分别连接至三路继电器，由节点CC2530主电路的I/O口引脚输出来驱动三路继电器的通断，控制干触点的连接，如图5为窗帘电机控制节点电路框图。

图5 窗帘电机控制节点电路框图

图6所示为单路继电器模块电路图，当节点CC2530主电路的射频模块接收到电机控制信号时， CC2530的I/ O口输出高低电DAP平驱动信号，经光电隔离器TLP521将光电信号转为电信号，又经三极管放大，可控制继电器的吸合。

图6 单路继电器控制电路

■2.5 嵌入式网关PAD

嵌入式PAD网关的核心是基于Cortex-A8内核的CPU OMAP3530，PAD带有串行口与协调器相连，7寸触摸屏面板可实现手动控制，1个以太网络接口用于连接其他集成系统。

3. 软件设计

■3.1 系统工作流程

系统可根据当前时间和测得光线值调整窗帘的开闭，形成自动控制机制如下：

1、当到达白天定时时间，电机反转6s，打开窗帘，若此时测得当前光线值未超出警戒阈值900（lux），窗帘保持打开状态。若测得当前光线值过大，超过警戒阈值900（lux），则电机正传3s，窗帘关闭一半。

2、当到达夜晚定时，则电机立即正传，关闭窗帘。

3、可通过PAD上的触摸按钮，手动控制电机正反停，控制窗帘开闭。

■3.2 系统软件设计

系统软件设计主要包括ZigBee网络中各种设备软件和PAD上监控软件的设计两部分，这里ZigBee网络设备仅进行数据的采集和命令的执行，自动控制机制由PAD监控软件后台实现。CC2530的程序是在 IAR Embedded Workbench集成开发环境下通过修改Z -Stack 的SampleApp例程来完成设计，PAD监控软件程序是在linux系统的基础上采用QT工具进行设计的。

4. 系统测试

将系统进行实地测试，ZigBee网络设备统一设置信道Channel、PANID等参数，网络中配置有1个协调器，3个光线监测节点，对应3个窗帘控制节点连接到窗帘电机，分别安装到实验室的三个测试区域。通过影响实验室环境光线的变化，测得系统能按设定的规则正确控制窗帘，也可以接收嵌入式网关PAD的手动控制，最大通信距离可达到50m。