基于ZigBee的智能家居系统.doc
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基于ZigBee的智能家居系统
摘要：
基于ZigBee的智能家居系统是针对家居高度自动化、智能化的要求提出的一种新的解决方案。
主要用ZigBee手持控制器无线采集室内环境参数，远程控制各种家居电器，实现家居控制、参数检测的完全自动化、智能化。
设备以C8051F020单片机为控制核心单元，检测湿度，负责驱动电机，处理和传输数据。
采用高精度传感器作为湿度检测器件，直流电机等为执行机构，完成环境参数检测，对窗帘、交流电电器等的控制功能。
用手持设备通过IP-LINK1270模块串口实现了室内无线通信，可以接收湿度数据，控制简单家居。
本系统具有良好的开发和应用前景。
关键词：
ZigBee无线通信湿度检测智能家居
由于生活质量的日益改善，各种家电设备的高度自动化和智能化已经成为一种消费需求，同时科学技术的飞速发展，让这种需求的达到已经不再遥远。
新的ZigBee协议在无线传感器网络和各种无线终端控制方面有良好的前景，为传感器网络和控制设备提出了新的方案。
基于ZigBee的网络控制系统就可以实现对各种家电设备的控制和调节，只需要对旧式家电（家居）进行改装，或加入必要的驱动电路，便可以实现小信号对交流电器的控制。
室内温度、湿度等环境参数直接影响生活质量，同样可以通过ZigBee控制器对室内温度、湿度检测设备进行较远距离的适时采集，然后根据个人意愿对家电（家居）进行不同程度的调节。
我们对实用小功率电扇进行了改装，对窗帘装上直流电机和定滑轮，可以由ZigBee控制器向单片机发送命令对电扇和窗帘的开关程度控制和调节。
室内参数检测方面，开发了湿度检测设备，可以有效的反馈实时数据。
一、系统（主设备）结构及各部分功能
在整个系统设计方案中，以C8051F020为核心，作为数据处理器和设备控制器，整个设备也可作为工业现场设备，从属于ZigBee核心控制器。
系统（主设备）结构如图所示，
图1系统（主设备）总体结构图
上图中所示各个模块的基本功能分别为：
（1）湿度传感器模块：
把传感器信号作滤波处理，并送入单片机模拟通道。
（2）L6203电机驱动模块：
当单片机的提供信号满足条件时，输出电压驱动电机正转或反转。
（3）晶闸管电扇控制模块：
单片机选择驱动不同的晶闸管，以实现对交流电电器如电扇的控制。
（4）独立式按键：
对四个按键的组合运用，设置湿度报警的上限和下限；操作控制电扇、窗帘。
（5）声光报警模块：
当湿度值超出人为设定的报警限时，自动报警。
（6）数码管显示：
三位数码管显示湿度相对百分比，精确到小数后一位。
二、模块设计实现原理
1、电源设计
在整个系统中，所选湿度传感器需要5.0V的直流稳压电源，单片机C8051F020需要3.3V的直流稳压电源，电源的设计要求非常严格。
如图所示，我们选用LM2576芯片，产生5V的电源，输入电源可以选择通过变压器直接输入9V～24V的直流信号，以满足电机驱动芯片L6203的电源；5V直流电源通过ASM1117产生3.3V电源提供给单片机C8051F020。
电源模块产生信号比较稳定，能够很好的满足系统需要。
图2电源电路
2、传感器数据采集模块
本系统中，我们选用了北京宝利马公司生产的湿敏传感器，具有良好的线性关系，输出0.9V～3.8V的模拟信号，可以直接输入单片机。
如图所示，传感器输出信号通过电容滤波，减小波动和干扰误差后，输入单片机C8051F020进行A/D转换，并且可以通过选择开关，选择单片机模拟通道。
图3传感器接口电路
3、通信模块
整个控制网络系统中的无线通信功能是通过IP-LINK1270模块和C8051F020之间的串口通信实现的。
IP-LINK1270模块是完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee规范的2.4GHz无线收发模块。
需要3.3V的工作电源和逻辑电平，刚好保证和C8051F020顺利通信，其复位端与单片机复位端相连，单片机上电的同时IP-LINK1270模块也复位。
该模块在使用之前，需要配置其网络号，节点号以及信道和频率等，以便准确的向设备发送数据或命令。
图4通信接口电路
4、电机驱动和晶闸管开关模块
用芯片L6203作为电机的核心驱动，从单片机I/O口输出一路信号作为L6203的使能信号，控制芯片的通断。
再由单片机提供两路信号，两路信号呈现一高一低时方可驱动电机，高低的顺序不同，电机的转动方向不同。
图5执行电机驱动电路
5、其它常用模块
本系统中所用到的常用模块主要包括独立式按键电路、声光报警电路和三位数码管显示电路。
图6报警、按键、显示电路
独立式按键采用上拉的方式接入单片机，当无按键按下时，I/O输入上拉电源提供的的高电平，而当有按键按下时上拉电阻一端接地，输入有效信号高电平。
由于单重的声音或灯光，在工业现场不一定达到预期地报警效果，我们选用灯光报警的方式，通过单片机用三极管控制蜂鸣器和发光二极管通断。
三位数码管用动态的显示方式节约了I/O资源，同样通过控制三极管的通断来实现数码管的片选，只要扫描频率足够高，视觉就感受不到闪烁。
三、部分软件流程
1、湿度检测设备主流程
C8051F020单片机各种资源丰富，功能强大。
先必须对单片机进行初始化，包括系统时钟、定时器、端口等的初始化，还有一些特殊功能ADC等的初始化，然后进入A/D，依次报警限检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。
图7湿度检测主流程图
2、A/D转换流程
C8051F020的内嵌12位ADC，可以通过向AD0BUSY写“1”启动转换，应查询AD0INT位以确定转换何时结束。
查询步骤如下：
1、写“0”到AD0INT；
2、向AD0BUSY写“1”；
3、查询并等待AD0INT变“1”；
4、处理ADC0数据。
图8A/D转换流程图
3、串口中断服务流程
在整个通信过程中，家居设备始终处于被动地位，只需要不断地检测接收中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于执行命令还是查询数据命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否发送成功。
若没有成功，连发第二次数据。
图9串口中断流程图
4、ZigBee控制器流程
ZigBee手持是整个系统地核心，我们在已有的手持硬件中嵌入了自己的操作流程和显示界面。
作为命令的发出源，必须不断地扫描按键接口，一旦有按键，则执行相应规定命令或发送特定数据。
然后等待一段时间，接受数据（或反馈信息），在LCD界面显示相应标志或数据。
基本流程图如下：
图10ZigBee控制器流程图
三、设备操作规则
1、湿度检测设备按键（报警限）设置
四个按键负责设置报警上限和下限的增加或减小，每次击键上限或下限都增加或减少2%，并且同时显示报警限。
S1&S3（先按下S1）
S1&S4（先按下S1）
S2&S3（先按下S2）
S2&S4（先按下S2）
下限加2%
下限减2%
下限加2%
下限减2%
2、电扇、窗帘控制设备按键设置
同样，用四个按键负责窗帘的开关，拉开速度快慢，窗帘拉开的程度与击键的时间有关，（即键按下多久，电机运行多久）；控制交流电电器电扇的开关，换挡等功能。
窗帘操作：
S1
S2
S1&S3（先按下S3）
S2&S3（先按下S3）
窗帘拉开
窗帘拉合
电机调高档
电机调低档
小功率电扇操作：
S1&S4（先按下S4）
S1&S4（先按下S4）
S1&S4（先按下S4）
S4
开（1档）
开（2档）
开（3档）
关
基于ZigBee的家具智能系统，具有通信功能强，功耗低等优点，家庭应用时无线通信有效距离适中，具有良好的应用前景。
目前。
我们的开发只处于实验室阶段，通过一些简单设备的改装和调试，实现了预期的基本目标。
可以控制窗帘、交流电电器电扇等简单设备，也可以进行湿度、温度等环境参数的无线检测。
该系统也可进一步扩展为对所有家庭多种环境数据综合采集，对各种家电实现网络化控制，组成高度自动化、智能化、网络化的智能家居系统。
附：
实验设备电路图
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