基于ZigBee的智能空调温湿度控制系统的设计

朱宝旺 秦聪 孙浩 赵树磊

【摘 要】针对传统家居空调设备温湿控制智能化程度低的问题，开发了基于ZigBee的智能家居温湿度控制系统，从移动控制器和温湿度调节设备控制终端两方面介绍了系统的硬件设计，满足了舒适度的智能控制需要，节约了能源的消耗。

【关键词】温湿度控制系统;ZigBee;单片机

中图分类号： S625;TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.047

【Abstract】In view of the low intelligence of traditional home air conditioning equipment，the temperature and humidity control system is developed.The ZigBee-based smart home temperature and humidity control system is developed.The hardware design of the system is introduced from the two aspects of the mobile controller and the temperature and humidity control equipment control terminal.The intelligent control of the degree requires energy consumption.

【Key words】Temperature and humidity control system;ZigBee;Single chip microcomputer

0 引言

在温湿度控制领域，人们已经不满足单纯地调节温湿度这一功能，并且随着智能化的深入发展，人工智能已然成为科技发展的前沿[1-3]。人们希望居住的家庭环境可以实现温湿度的系统化、智能化的控制，做到有人的环境下实现温湿度的自我控制，使所处室内环境的温湿度达到相对适宜舒适生活的状态。本系统把控制技术、电子技术和网络通讯技术集成于一体，目的在于解决传统的温湿度控制分散，且无法达到系统化管理、设备无法通过温湿度感应来实现自我运行的问题。传统空调的性能调节需要人为地去设定其工作状态，无法达到人们所追求的智能化要求，对于老人来讲，性能调控有些困难。

1 系统的总体结构

在智能空调温湿度控制系统中，受到环境、成本以及设备等因素的限制，选用了成本低，功耗低和网络容量大的ZigBee网络组网方式。控制系统由单片机控制部分和空调控制终端组成，根据不同的控制协议和控制硬件，对空调的通断电、空调工作的模式做出精确地设置和管理。

硬件控制系统以STC51单片机为核心[4]，外接有ZigBee通讯模块，多个室内温湿度感应模块，多个红外感应模块，LCD显示器、一个室外温度传感器以及其他辅助电路组成，具体如图1所示。

单片机为本控制系统硬件部分的核心，负责对室外温度采集模块以及室内温湿度模块采集到的数据进行处理、温度湿度的显示以及控制ZigBee模块等功能。温湿度感应模块和红外感应模块分散在客厅和卧室，红外感应模块用于确定房间内是否有人，从而确定空调是否要工作;温湿度感应模块用于对房间内的温湿度做出监测，将数据传送给单片机，根据设定条件，单片机判定空调是否要房间内的温湿度做出响应;LCD显示器用来显示各温湿度模块监测到的实时的温度和湿度;所有的响应信号都由ZigBee模块发出和接收。室外温度采集模块，根据室外温度从而确定空调所处的工作模式，判定出当前所处的季节，从而确定空调是工作在制冷还是制热模式下。室内温湿度采集模块将采集到的数据传递给单片机。

2 移动控制器硬件设计

根据实际应用的需要，控制器采用体积小、性能高、功耗低和可靠性高的嵌入式系统。单片机采用STC15系列的STC15F2K60S2LQFP44芯片，STC15具有低功耗、大容量的Flash存储器，具有10万次以上的擦写次数;单片机内部只有4096B的RAM，根据设计，为增大单片机的存储容量，设计需要在外部增加一个62256的SRAM芯片以达到外部扩展存储器的目的。该扩展SRAM芯片用于存放嵌入式系统，应用程序或者掉电后需要在系统中保存的数据。

ZigBee通信模块选用以CC2530射频芯片为核心的通信模块，完成系统的信息的接收和发送，本模块共有四个端口，有8种波特率可供选择，由于本设计针对的是居家环境，该模块总共具有16个频道，每个频道在工作过程中互不影响，在工作过程中远远满足了设计的需求。

室外温度采集模块是以AD590为核心，采集到的温度信号经过AD590转换成线性的电信号，经过OP07组成的较高精度的低漂移放大电路的放大作用，作為ADC0809的输入信号，ADC0809将模拟信号转换为数字信号，并传递至单片机系统。

室内温湿度感应模块采用SHT11数字温湿度传感器，具有GND、VCC、DATA和SCK四个端口，VDD和GND之间可增加一个用于去耦滤波的100nF的电容。当SCK时钟为1时，DATA翻转为0，紧接着SCK变为0，之后SCK为1时，DATA也为1。

人体红外感应模块重复触发方式，即感应输出高电平后，即输出1之后，如果该范围内继续有人存在，输出将一直保持高电平，直至人离开感应范围，高电平变低电平。并且该模块可以有效的避免宠物、电磁和强灯光的干扰，可以准确识别出房间内有无人的活动，间接实现开关控制的目的。

报警模块，当空调出现故障时，空调控制终端会回传信息，在单片机系统内预设空调故障的相关代码会在LCD显示器上显示出来，同时单片机会驱动相关连接口，使蜂鸣器报警。

3 空调控制终端硬件的设计及空调控制

空调控制终端用于接收控制器发出的指令，控制空调通断电，并根据控制终端发出的信号，来实现空调功能的自我设定。由控制器发出信号确定空调的工作模式。为实现相关功能，我们选用CC2530芯片作为处理器。CC2530的选用既可以实现ZigBee通信，又可以控制空调的工作。该控制终端控制空调的原理如图示。

电磁四通换向阀是空调必须具备的器件，其主要由主阀、控制阀及毛细管组成，主阀，即四通气动换向阀，由滑块、活塞组成活动阀芯，阀体两端有可使毛细管与阀体内空间连通的通孔;控制阀由电磁导向阀和电磁线圈组成;主阀和控制阀通过三根或者四根导向毛细管连接。控制接收终端接收到来自单片机控制系统发来的信号，经过OP07放大器的处理，来驱动电磁四通转向阀上的继电器开关和换向阀工作，从而达到控制温度的目的。

4 总结

对基于ZigBee的智能空调温湿度控制系统的硬件设计，突破了传统的空调运行的独立性，达到了空调运行的系统性，使整个系统的运行不需要人的干预，真正做到了智能化，实现了软硬件的结合。该系统的成功应用，不仅在节能等方面具有非常好的效果，而且在很大程度上方便了人们的生活，提高了生活的舒适度。

【参考文献】

[1]雄伟，王岭娥，谷学静.基于ZigBee的智能家居灯光控制系统的设计[J].山西建筑，2010，36（7）：219-220.

[2]黄隆胜，杨汉祥.基于AT89S52的智能空调控制系统的设计[J].科技广场.2008，（10）：186-188.

[3]马齐飞，陈富军.基于ZigBee的智能家居控制系统设计[J].天中学刊.2012，27（2）：30-32.

[4]徐爱钧.STC15单片机C语言编程与应用.北京：电子工业出版社，2016.