基于嵌入式的Zigbee无线传感智能家居系统硬件设计

文/杨淳清

1 系统设计需求及方案

本系统的设计意在解决家居系统远程遥控及状态监测问题，用户可通过智能手机上的APP软件实现对智能家居系统中各传感终端部件的远程遥控，并根据状态和需求设置参数，实现对家居内环境、电器、报警子系统的监控。基于上述设计需求，本系统将整体的硬件模块设计分为外网环境硬件部分和室内家居终端传感监测节点两部分。

1.1 外网环境硬件部分

主要由CC2530无线传感协调器、外网环境监测硬件电路板、电源和网关模块构成，实现对室内家居采集信号的综合处理，并搭建起远程云平台与室内家居终端传感监测节点之间通讯的渠道。

1.2 室内家居终端传感监测节点部分

由消防报警硬件节点、室内环境硬件节点、家电控制监测节点、CC2530终端、电源模块等构成，实现对家居内环境和电器运行状态的监测和数据通讯。

2 系统硬件模块选项及设计

2.1 CC2530无线传感中控模块

CC2530是目前国内通用的无线传感Zigbee芯片，其内部配备了2.4GHZ的高频收发器及1颗工业级8051内核微处理器，能够直接用于对传感检测信号的收发处理和微处理运算。在具体的设计中，选用CC2530作为本系统的中控核心芯片，主要功能端口的硬件设计分布为：P1.1为消防报警信号输入口，P1.2为温湿度检测信号输入口，P0.1为室内空调电器控制继电器信号输出口，P0.2为声光报警模块控制继电器信号输出口。

2.2 室内环境传感模块

本系统能够实现对室内家居温度和湿度信号的采集和传输，以为后期的室内温湿度智能控制提供依据。为此特选择温湿度传感器DHT22为室内环境传感模块的核心器件。DHT22是一款复合式温湿度传感器，内含电容式感湿元件及NTC感温元件，具有体积小、功耗低等特点，它的温度测量范围为-40---80度，湿度测量范围为0---100%RH，具体的电路模块设计策略为：DHT22的2脚连接CC2530的WSD引脚，1脚连接3.3V直流电源端，4脚接地，3脚空置。图1为室内环境传感模块的硬件电路图。

2.3 消防报警传感模块

该模块的功能用于实时监测家居室内的烟雾浓度，并根据预设好的阀值进行报警提示或静默运行，以提升用户室内烟雾浓度是否超标，以此作为消防报警系统是否运行的参照。具体元件选择上，采用MQ-2烟雾浓度传感器为核心，该传感器共4个引脚，其中2个用于检测信号的传输，2个用于电源和地线的连接，结构简单，成本低廉，能够实现对烟雾、液化气、酒精挥发气体的检测。该模块的电路设计策略为：MQ-2输出端OUT与LM358的IN-脚相连，用于输入采集到的室内烟雾信号；LM358的IN+与可调电阻连接，OUT端输出室内烟雾检测处理信号，送入CC2530P1.1引脚，实际工作中可通过调节可调电阻的阻值来调节整个消防报警电路的检测灵敏度。

2.4 家用电器智能控制模块

本系统的家用电器智能控制模块主要包含三个部分，分别是空调控制电路模块、消防报警喷淋电路模块和声光报警电路模块，三个部分电路均以继电器为控制核心，以空调控制电路模块为例阐述设计思路：温湿度传感器DHT22实时采集室内的温湿度信号，并将采集到的信号反馈给CC2530的WSD引脚，CC2530将采集信号与用户预设信号进行比较，倘若采集信号超过预设阀值，CC2530的P0.1脚便向空调控制电路继电器发送高电平信号，以开启空调。消防报警淋浴电路和声光报警电路模块的控制原理与之类似，此处不再累述。

图1：室内环境传感模块电路图

3 系统硬件测试环境

系统无线传感网络的通信性能如何，直接决定了本系统在实际运行中的精确性。在具体的测试中，主要以测试CC2530协调器与主模块终端之间的数据传输能力为准，并以终端和协调器之间的数据包接收成功率为依据，检测整个ZigBee无线传感模块的网络通信性能。具体的测试环境为：

（1）独门独院的3层楼别墅，建筑面积570平方米，终端模块、网关模块和WIFI路由器放置在1楼客厅，1-3层各房间放置相应的协调器模块。

（2）客厅环境：面积103平方米，仅有一些家具、家电障碍物。

（3）2楼主卧室环境：面积20平方米，与1楼终端模块的直线距离30米，中间有厚0.5米的1层水泥天花板以及各类家具、家电障碍物。