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無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2016-10-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:基于Zigbee通信協(xié)議,設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)的外圍電路。系統(tǒng)以CC2530模塊為核心配置,采用DS18B20、Nokia5110液晶及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部件,通過上位機(jī)、單片機(jī)與傳感器三者相連,采集、存儲并控制系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。深入研究了PCB內(nèi)部天線增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力的設(shè)計(jì)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/308273.htm

設(shè)計(jì)的無線系統(tǒng),可以有效的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制室內(nèi)溫度。

當(dāng)今社會,人們對生活品質(zhì)要求越來越高,而傳統(tǒng)的家電已經(jīng)不能滿足人們的需求,因此智能家理念電悄然興起。智能家電是指將微電腦和通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器中,使之智能化并具有網(wǎng)絡(luò)終端功能,可以隨時(shí)隨地地獲取與處理信息的消費(fèi)電子產(chǎn)品,其重要的特征是通過Internet傳遞數(shù)字信息?;诖耍O(shè)計(jì)了一種基于通信協(xié)議的控制系統(tǒng)的外圍電路。結(jié)合原空調(diào)控制系統(tǒng),可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制空調(diào)的運(yùn)行。

1 技術(shù)的優(yōu)勢

二十一世紀(jì)以來,比較流行的無線局域網(wǎng)通信分別有WIFI、Bluetooth、,但是藍(lán)牙的傳輸距離短,WIFI的成本大、功耗高,而ZigBee低成本、低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢適合應(yīng)用在短距離、傳輸信息少的無線控制系統(tǒng)中,更符合無線智能家電物美價(jià)廉、節(jié)能減排的綠色理念。因此,基于ZigBee通信協(xié)議的智能家電控制系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。

2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一組被稱為層的模塊組成。下面的一層為上面的一層執(zhí)行特定的服務(wù),即數(shù)據(jù)實(shí)體提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),管理實(shí)體提供了所有其它的服務(wù)。上層由服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)提供一個(gè)接口。物理層和媒體介質(zhì)訪問層由IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定,網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層為上層提供原始比特流的數(shù)據(jù)連

接,MAC層控制數(shù)據(jù)包的物理尋址,網(wǎng)絡(luò)層是確定網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑,應(yīng)用層為應(yīng)用程序服務(wù)。每層機(jī)構(gòu)通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口和管理服務(wù)接口進(jìn)行相鄰層之間的通信。

3 PCB內(nèi)部天線的設(shè)計(jì)

使用PCB內(nèi)部天線時(shí),為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力,需要設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的天線長度。由CC2530芯片可以知道,系統(tǒng)的頻率f為2.4 GHz,光的傳播速度C0為3×108m/s,可計(jì)算真空中的波長,如公式(1)所示:

λ=C0/f (1)

當(dāng)電磁波在其他介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí),可根據(jù)介質(zhì)與真空的介電常數(shù)計(jì)算在介質(zhì)中的傳播速度,如公式(2)所示:

a.jpg

由于在制作PCB板子時(shí),介電常數(shù)還會受到PCB板子厚度h以及線寬w的影響,因此有效介電常數(shù)εoff如公式(3)所示:

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設(shè)計(jì)的PCB板子的材料是FR4,該板子的介電常數(shù)為4.2,板子的厚度為1.6 mm,天線寬度為1 mm,計(jì)算出有效值為2.965,電磁波在板子中的波長為72.594 mm,因此PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計(jì)為36.33 mm。

4 整體電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的ZigBee智能空調(diào)系統(tǒng)需要一個(gè)協(xié)調(diào)器,一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成,這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建,路徑的分配和數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)?;赯igBee協(xié)議設(shè)計(jì)的外圍電路,系統(tǒng)框圖如圖1所示,無線智能空調(diào)系統(tǒng)外圍電路的結(jié)構(gòu)是星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)全功能協(xié)調(diào)器(采集模塊),一個(gè)LCD液晶及的測溫節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)(傳感模塊)組成。

c.jpg

采集模塊通過串口與PC機(jī)相連,傳感器模塊被布置在家中的空調(diào)上,通過DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)溫度,然后溫度數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給采集模塊,通過串口通信傳遞到上位機(jī),家庭成員通過Internet遠(yuǎn)程查看溫度;也可以遠(yuǎn)程設(shè)定空調(diào)溫度,即通過上位機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的設(shè)定,進(jìn)而反向傳輸?shù)絺鞲心K的LCD液晶上顯示。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由傳感模塊、采集模塊和電源模塊組成。

5.1 通信模塊的選擇

設(shè)計(jì)過程中為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲和處理的能力,選用了帶有256 K Flash和標(biāo)準(zhǔn)8051增強(qiáng)型處理器的CC2530作為核心模塊。

CC2530模塊是一款完全兼容8051內(nèi)核,同時(shí)支持IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz無線射頻單片機(jī),該款模塊能滿足Z—Stack運(yùn)行內(nèi)存容量的要求;支持2.0~3.6 V供電電壓,具有3種電源管理模式:喚醒模式、睡眠模式、終端模式;傳輸距離大于75 m,最高傳輸速率250 kbps,非常適合應(yīng)用在智能空調(diào)上。基于CC2530模塊最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

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5.2 采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

采集模塊主要負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。采集模塊是由CC2530模塊、電壓轉(zhuǎn)換電路、電源電路、串口、復(fù)位鍵、指示燈以及天線組成。由于CC2530模塊的工作電壓是3.3 V,所以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片REG1117把5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。指示燈是用來表示采集模塊是否成功建立網(wǎng)絡(luò)等狀態(tài)信息。采集模塊通過點(diǎn)播的形式發(fā)送控制指令給傳感模塊,發(fā)送的數(shù)據(jù)格式最多用5字節(jié)表示。

5.3 傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)

傳感模塊是智能空調(diào)控制系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。傳感模塊除了包含有采集模塊組成部分外,還具有溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示部分。傳感模塊需要一個(gè)串口線即可實(shí)現(xiàn)DS 18B20溫度傳感器和PC機(jī)的雙向通信。

當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度時(shí),CC2530對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,為傳輸數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備,通過LCD顯示出來并發(fā)送給采集模塊。上位機(jī)設(shè)定溫度后,通過采集模塊反向傳給傳感模塊并在LCD上顯示。當(dāng)傳輸或接受完畢后,傳感模塊進(jìn)入休眠模式,使控制器進(jìn)入低功率模式來延長電池壽命。

5.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路為智能空調(diào)系統(tǒng)的其他功能模塊供電,保證模塊的正常工作。模塊中,下載設(shè)備和調(diào)試設(shè)備需要5 V供電,芯片CC2530需要3.3 V供電,因此采用電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為了充分滿足不同工作環(huán)境,系統(tǒng)采用3種供電方式:電池供電、USB供電、穩(wěn)壓電源直流供電。

6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench ForC8051,在此環(huán)境下完成對CC2530程序的編程、編譯、調(diào)試,利用CC Debugger及SmartRF Flash Programmer完成程序的

下載工作。軟件設(shè)計(jì)主要采用TI公司CC2530提供支持的免費(fèi)ZigBee協(xié)議軟件,以C語言為編程語言,在Z—Stack通用模板的基礎(chǔ)上通過改動(dòng)APP程序,來實(shí)現(xiàn)無線智能空調(diào)的控制。

6.1 采集模塊軟件設(shè)計(jì)

采集模塊程序包括系統(tǒng)初始化、信道掃描、協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)和接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等代碼程序。當(dāng)系統(tǒng)上電后,首先初始化軟硬件,建立網(wǎng)絡(luò)并給每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配ID地址,然后系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài),當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到無線傳感模塊終端發(fā)送的命令時(shí),再發(fā)送控制命令到節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)對空調(diào)溫度的控制。采集模塊程序流程圖如圖3所示。

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采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配的地址時(shí),是按樹型結(jié)構(gòu)不同層d的深度對傳感模塊進(jìn)行地址分配的,其不同層d分配的地址之間的間隔為Cskip(d),公式如(6)所示:

f.jpg

其中,Lm是結(jié)構(gòu)的最大深度;Cm是組網(wǎng)中能擁有傳感模塊的最多個(gè)數(shù);Rm是組網(wǎng)中路由器的最多個(gè)數(shù)。

當(dāng)設(shè)備地址之間的間隔為0時(shí),說明組網(wǎng)中沒有路由器,因此不能接受任何傳感設(shè)備。當(dāng)?shù)刂分g的間隔大于0時(shí),才可以給傳感模塊分配地址。

當(dāng)采集模塊給多個(gè)傳感模塊分配地址時(shí),首先給第一個(gè)子模塊分配比自身地址大1的組網(wǎng)地址,然后以地址之間的間隔Cskip(d)為公差依次進(jìn)行遞增,之后依次分配給其他子模塊。地址分配如公式(7)所示:

g.jpg

公式(7)中,上面的式子是為多個(gè)傳感模塊分配的地址公式,下面的式子是為多個(gè)路由器分配的地址公式,Aparent為采集模塊自身的地址。

6.2 傳感模塊軟件設(shè)計(jì)

傳感模塊會自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò),發(fā)出綁定請求,等待采集模塊綁定響應(yīng)。如果沒有響應(yīng),傳感模塊將會周期性的繼續(xù)搜索。如果綁定成功,會每隔1 s發(fā)送溫度數(shù)據(jù),然后再分兩個(gè)路徑分別傳遞,一是通過無線ZigBee技術(shù)傳遞給采集模塊,另一個(gè)是直接在LCD液晶進(jìn)行顯示。當(dāng)傳感模塊通過無線ZigBee技術(shù)接收到采集模塊發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)也會在LCD液晶屏上顯示。傳感模塊程序流程圖如圖4所示。

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7 系統(tǒng)的測試結(jié)果及分析

無線智能空調(diào)外圍電路的測試結(jié)果分為兩個(gè)部分,一是上位機(jī)上顯示的每隔1 s采集的溫度數(shù)據(jù)及我們對空調(diào)設(shè)定的溫度。另一部分是通過LCD液晶顯示的室內(nèi)溫度和通過無

線傳輸接收到的設(shè)定的溫度,如圖5所示。

i.jpg

測試結(jié)果表明:無線智能空調(diào)外圍電路控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)采集,以及遠(yuǎn)距離的無線傳輸?shù)目刂?,系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、體積小、移植性強(qiáng)、傳輸距離可達(dá)20m左右,可穿透障礙物等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。

8 結(jié)束語

系統(tǒng)是基于ZigBee的無線智能空調(diào)外圍電路的設(shè)計(jì)。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏組成的無線智能空調(diào)控制系統(tǒng)更具有移植性強(qiáng),省電,靈活小巧等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用在很多場合,方便人們的生活。PCB內(nèi)部天線的長度設(shè)計(jì)為36.33 mm使抗干擾能力增強(qiáng),收發(fā)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。系統(tǒng)以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,避免了傳統(tǒng)排線繁瑣的缺點(diǎn),更適用于當(dāng)今社會的需要。



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