基于ZigBee的智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了達(dá)到窗體智能監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制的目的，設(shè)計(jì)引入了ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并將多種傳感器和窗體控制器連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。通過GSM模塊、ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)窗體的手機(jī)遠(yuǎn)程控制、入侵報(bào)警、風(fēng)雨報(bào)警以及煙霧報(bào)警等多種控制手段。給出了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)傳感器選型以及各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。實(shí)驗(yàn)表明了該系統(tǒng)在家庭應(yīng)用中的可行性。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，智能控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了我們生活不可分割的一部分，人們不僅需要居住環(huán)境舒適、溫馨，還要求其智能、安全?？梢哉f，智能型的家庭安全系統(tǒng)已經(jīng)開始逐漸地深入到我們生活的方方面面。早在21世紀(jì)初，國內(nèi)就有關(guān)于智能窗控制系統(tǒng)的研究，使窗戶具有一定的智能性，如下雨則自動(dòng)關(guān)窗、室內(nèi)有害氣體超標(biāo)則自動(dòng)開窗、有盜賊入內(nèi)則自動(dòng)報(bào)警等，人們還可以通過控制鍵盤來直接控制窗戶的開關(guān)，給人們的生活帶來了諸多方便。然而隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步完善，這種智能窗的功能已略顯單薄，本文研究的智能窗控制系統(tǒng)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是智能家居系統(tǒng)中的一個(gè)子模塊，其實(shí)用性較目前市場上的大多數(shù)智能窗戶得到極大的提升。系統(tǒng)中加入了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)窗體與中心控制模塊、中心控制模塊與傳感器間的無線通信;加入的GSM模塊建立起了“人機(jī)對(duì)話”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了戶主對(duì)窗戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控;中心控制模塊還能夠根據(jù)傳感器的信息或戶主的手機(jī)短信指令作出判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗體進(jìn)行控制，使窗戶真正“智能”起來。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能窗系統(tǒng)主要由中心控制模塊、傳感器模塊、GSM模塊、窗戶控制模塊組成;所設(shè)計(jì)系統(tǒng)自身能夠通過傳感器檢測外部環(huán)境變化來控制窗戶的開關(guān);在窗戶開啟或關(guān)閉時(shí)，GSM模塊將當(dāng)前窗戶的狀態(tài)以及開啟或關(guān)閉的原因以手機(jī)短信的方式反饋給戶主;戶主經(jīng)判斷后可以發(fā)送手機(jī)短信指令控制窗戶的開關(guān)或采取相應(yīng)的措施;另外，戶主也可在室內(nèi)通過室內(nèi)遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的開關(guān)的進(jìn)行控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊組成：

1)中心控制模塊。采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的高性能、低功耗MCU MC9S08GB60實(shí)現(xiàn)。主要負(fù)責(zé)接收傳感器、紅外模塊等發(fā)送的外部環(huán)境信息，對(duì)外部環(huán)境信息進(jìn)行判斷后，對(duì)窗體發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作指令，同時(shí)觸發(fā)GSM模塊，向戶主發(fā)送手機(jī)短信報(bào)告當(dāng)前窗戶的狀態(tài)。

2)傳感器模塊。溫度傳感器和濕度傳感器分別采用美國Dallas公司DS18B20數(shù)字式溫度傳感器及國產(chǎn)DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。兩種傳感器均采用單總線方式與MC9S08GB60通信，能有效減少對(duì)I/O口的占用數(shù)量。通過濕度傳感器監(jiān)測，當(dāng)室外下雨時(shí)，通過控制電機(jī)使窗戶及時(shí)關(guān)閉;通過氣敏傳感器監(jiān)測，當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體或煙霧超過特定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，窗戶自動(dòng)打開通風(fēng);通過溫度傳感器監(jiān)測，當(dāng)室內(nèi)的溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)能開窗換氣，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，這一動(dòng)作的前提為當(dāng)室外沒有下雨或盜情時(shí)，本系統(tǒng)采用對(duì)CO氣體、天然氣、液化氣、城市煤氣和煙霧有較好靈敏度的MQ-2氣體煙霧傳感器。

3)紅外傳感器模塊。紅外傳感器采用的是HC-SR501人體紅外傳感器模塊;當(dāng)窗戶外有人接近，阻斷了紅外傳感器的發(fā)射接收通路時(shí)，窗戶會(huì)立刻關(guān)閉并發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)將這一情況以手機(jī)短信的形式發(fā)送給戶主，起到防盜報(bào)警作用。

4)GSM模塊。采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊，工作頻段為雙頻GSM900MH/GSM1800MHz，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。GSM通過串行總線RS232與MC9S08GB60連接。在執(zhí)行開啟和關(guān)閉窗戶的動(dòng)作時(shí)，中心控制模塊通過GSM模塊向戶主發(fā)送手機(jī)短信告知戶主窗戶狀態(tài)及動(dòng)作原因。戶主也可通過手機(jī)短信的方式遠(yuǎn)程控制窗戶的開啟和關(guān)閉。

5)ZigBee模塊。采用飛思卡爾MC13213模塊實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部集成了MC13192射頻模塊和一個(gè)飛思卡爾S08系列低功耗MCU。ZigBee模塊可配置為串口通信方式。其中，傳感器與中心控制模塊、中心控制模塊與窗戶之間通過ZigBee模塊進(jìn)行無線通訊。

6)窗戶控制模塊。本系統(tǒng)采用的是國產(chǎn)森蘭HL/LG型電動(dòng)螺桿式開窗器，其工作電壓為直流24 V或交流220 V，推拉力量為1 000～2 000 N，推動(dòng)速度為5～10 mm/s，行程距離為400～1 000 mm。該開窗器推桿為不銹鋼材質(zhì)，擁有平滑，暢順的強(qiáng)力輸出，運(yùn)行穩(wěn)定，并具有過載保護(hù)裝置。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1)初始化程序。包括MC9S08GB60單片機(jī)的初始化，GSM模塊的初始化，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化以及開中斷。

2)濕度傳感器。采用的濕度傳感器是DHT11，MC9S08GB60與其之間的通訊采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。MC9S08GB60發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集。從模式下，DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

3)溫度傳感器。MC9S08GB60d對(duì)DS18B20的寫操作指令為：數(shù)據(jù)線先置低電平“0”;延時(shí)確定的時(shí)間為15 μs;按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)(一次只發(fā)送一位);延時(shí)時(shí)間為45μs;將數(shù)據(jù)線拉到高電平;所有的字節(jié)全部發(fā)送完后將數(shù)據(jù)線拉高。MC9S08GB60d對(duì)DS18B20的讀操作指令為：數(shù)據(jù)線拉高“1”;延時(shí)2μs;將數(shù)據(jù)線拉低“0”;延時(shí)15μs;將數(shù)據(jù)線拉高“1”;延時(shí)15μs;讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;延時(shí)30μs。

4)氣敏傳感器。MC9S08GB60對(duì)MQ-2的連接為使用MC9S08GB60的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，MQ-2的模擬量輸出為0-5 V，氣體濃度越高電壓輸出越高?？梢酝ㄟ^定時(shí)器定時(shí)讀取電壓值并與設(shè)計(jì)好的門限電壓比較來判定是否發(fā)生了漏氣現(xiàn)象。

5)MC9S08GB60與GSM的軟件接口其實(shí)就是單片機(jī)通過RS232與GSM短信息有關(guān)的AT指令控制手機(jī)的控制技術(shù)，是一種操作控制GSM模塊的軟件協(xié)議的集合，通過編寫程序軟件利用串口收發(fā)AT指令達(dá)到控制GSM模塊收發(fā)短信的目的。AT指令控制短消息發(fā)送有兩種常用模式，即TEXT模式、PDU模式。PDU模式可以采用unicode編碼發(fā)送英文、漢字。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用GSM模塊的PDU模式進(jìn)行短消息的收發(fā)。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

3 結(jié)束語

文中重點(diǎn)討論了智能窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，在經(jīng)過調(diào)試后，基于單片機(jī)、ZigBee模塊、GSM模塊、溫濕度傳感器、紅外傳感器等模塊設(shè)計(jì)的智能窗系統(tǒng)很好地完成了設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)方案兼顧通用性、擴(kuò)展性和性價(jià)比，還可以推廣應(yīng)用到大部分家用電器上，比如電燈、洗衣機(jī)、電冰箱等的遠(yuǎn)程控制上，具有廣闊的技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化前景。