基于ZigBee技术的多传感器智能窗设计

李 敏，孙学龙，李 均，党炫杨

(重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 沙坪坝 400044)

随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高,人们对生活质量的要求越来越高,智能家居逐渐获得市场广泛的接受和认可。普通窗户在起风下雨时不能自动关闭,不能自动调整开合程度以适应风、雨、光等环境变化,给生活带来了诸多不便,安装智能窗已成为越来越多人的选择[1-6]。本文讨论了一种智能窗户的设计方案,该智能窗户能够实现防风雨、防盗、防气体中毒、防煤气爆炸和反馈调节控制等功能。

1 系统总体设计

本文所设计的智能窗由机械传动装置、传感器网络、信号处理电路、步进电机、语音模块、短信模块以及显示模块组成。其中,机械传动模块采用齿轮齿条传动,由步进电机带动传动装置实现自动开关窗户[7]；传感器网络模块采用温湿度传感器DHT11、有害气体传感器MQ-2、人体红外热释电传感器作为环境监测传感器[8-10],通过ZigBee无线通信技术建立。

传感器在电子控制系统中起着关键的作用,是控制系统的输入量。传感器将采集到的数据送入无线模块,无线模块将数据处理后无线发送给处理器,处理器根据数据完成相应的操作,驱动执行元件做出响应。为了实现反馈调节,光传感器实时监测窗户所处的状态并反馈给处理器。出于实用性,一定的人机交互是关键和必要的,通过按键、显示屏和语音模块实现人机交互功能。系统总体原理框图如图1所示。

图1 系统框图

2 机械部分设计

机械部分可以根据不同的应用场合,采用不同的设计方案。本智能窗控制系统是基于普通的推拉式窗户设计的,具有一定的典型性和代表性。采用的机械传动方案是齿条齿轮传动方案。齿轮齿条传动具有简单、寿命长、传动比恒定、容易实现等优点,适合推拉式窗户的传动。齿轮齿条部分在SolidWorks环境下的配合图如图2所示。齿轮齿条选用的是简单的直齿圆柱齿轮,容易加工的渐开线齿廓,模数均为1,以满足正确啮合条件。齿轮齿数可以根据不同场合的具体需求,具体分析确定。

图2 齿轮齿条

3 无线传感器网络设计

3.1 传感器部分

本系统采用多传感器。其中,温湿度传感器选择DHT11,该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接,集成度高,响应快,性能稳定；烟雾传感器选择对多种有害气体和可燃性气体敏感[2]且阈值可调的MQ-2；人体传感器采用红外热释电传感器,该传感器是由一种高热电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、硫酸三甘钛等制成的,并且在探测器前安装菲涅尔透镜,以增大探测距离(10～20 m范围内人的行动),提高探测灵敏度。此外,实现系统的反馈调节,重要的环节是给控制系统输入当前窗户的开关状态。本文中设计基于推拉式窗户,采用检测白色窗户边沿的方法,判定此时窗户处于“开”还是“关”状态；同时,为保证传感器在夜晚仍能正常工作,选用红外对管作为检测窗户边沿的传感器。

3.2 ZigBee无线传输部分

3.2.1 ZigBee无线通信技术

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议。该协议为低功耗的简单设备提供了短距离低速连接的标准。其中IEEE 802.15.4标准满足ISO(国际标准化组织)OSI参考模式,定义了单一的MAC(媒体访问控制层),以及2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层两个标准。ZigBee无线网络协议层的架构示意图如图3所示。在IEEE 802.15.4定义的两个底层的基础上ZigBee定义了NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)技术规范。而用户在应用层可以自行定义一些应用对象。

图3 ZigBee协议结构示意

ZigBee这种双向无线通信技术具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的特点,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。在目前的无线通信技术中,功耗和成本都是最低的。考虑到本文所设计系统对数据的传输量要求不大,但对低功耗和数据传输距离有一定的要求,故选择了ZigBee协议。

3.2.2 ZigBee协议栈Z-Stack

ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议(标准)都集中在一个工程文件中,以函数的形式实现,并给用户提供API(应用层)函数接口,以方便用户调用,完成应用开发。

Z-stack是挪威半导体公司Chipcon(目前已经被TI公司收购)推出其CC2430开发平台时,推出的一款商业级协议栈软件。在瑞典公司IAR开发的IAR Embedded orkbench for MCS-51的集成开发环境下,用户可以通过这个协议栈软件开发出具体的应用程序。在Z-Stack协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序,这相当于一个操作系统,采用任务轮询的方式处理事件。

本文设计的无线传感器网络就是在Z-Stack的基础上,在应用层编写传感器数据采集程序,利用应用层所给的接口函数实现无线数据发送。

3.2.3 无线传感器网络的建立

ZigBee节点所属类别主要分协调器、路由器和终端3种[11]。同一网络中有且只有一个协调器,负责各个节点16位地址分配(自动分配)。ZigBee组网方式千变万化,主要有星状、网状和树状；随着节点的移动,网络拓扑结构也会随之变化。ZigBee的通信方式主要有点播(一对一)、组播(分组后组内通信)和广播(面向所有节点)3种。

本文设计的传感器网络并不复杂,对硬件资源的消耗也不大,因此采用简单稳定的星状拓扑,采用组播的通信方式,协调器统筹全网工作并与系统MCU相连。所建立的传感器网络结构如图4所示。MCU通过串口与GSM模块相连,其角色相当于整个系统的网关,GSM模块相当于无线传感器网络的数据传输终端。这样就形成了真正意义上的无线传感器网络,能够对传感器实现远程监控。

图4 无线传感器网络结构

4 控制系统设计

4.1 硬件电路设计

控制系统的硬件电路分为处理器和执行元件两大部分。

4.1.1 处理器部分

为了从整体上降低功耗,并满足系统的资源和I/O端口要求,经综合考虑,选用TI公司低功耗单片机MSP430系列中使用较为广泛的MSP430F149[12]。它是一种16位超低功耗、采用“冯诺依曼”结构,具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器,拥有64K寻址空间[5]。含有片内12位的AD/DA、定时器A/B、UART等资源,有5种低功耗模式,可以通过外部中断进行唤醒,符合本文设计系统的低功耗要求。片内的硬件看门狗提高了控制系统程序运行的稳定性

4.1.2 执行元件部分

1)步进电机及其驱动。

本文设计方案采用HYQD40-H5742步进电机驱动器,是一款专业的两相步进电机驱动。可实现正反转控制,通过3位拨码开关选择8挡细分控制(1,2,4,8,16,32,64,128),通过3位拨码开关选择6挡电流控制(0.5,1,1.5,1.8,2.5,2.8 A),适合驱动57、42型两相或四相混合式步进电机,能达到低振动、小噪声、高速度的效果驱动电机。

2)人机交互。

显示选用LCD1602,语音提示选用华邦 ISD公司2007年新推出的单片优质语音录放电路ISD1700语音芯片,可进行分段录音和放音。

GSM短信模块采用西门子公司的TC35(一款双频900/1800 MHz高度集成的GSM模块)作为GSM通信的硬件基础,利用单片机串口给TC35发送AT命令,传输波特率为9 600 bit/s,从而实现自动发送短信到指定的手机。此外,GSM可以接收来自控制手机的短信命令,MCU通过串口读取数据,从而促发与之相连的ZigBee协调器做出相应动作,短信模块既是控制系统的执行元件,也是无线传感器网络的数据传输终端。

4.1.3 软件设计

控制模块的软件设计主要以430单片机为核心,程序流程图如图5所示。

图5 控制程序

5 结束语

系统整机组装之后的实物图如图6所示。

图6 样机照片

本文设计的智能窗户系统,经过试验反应灵敏,响应速度很快,电机运转正常,关窗平均用时0.5 s,开窗平均用时0.6 s,GSM短信接受正常,但有一定的延时性,平均延时在14 s左右。