許 晨，張 勇

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 宿州 234000)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居已經(jīng)逐步走進(jìn)萬千家庭。無論業(yè)主在何時(shí)何地，都能控制家居中電器、儀器的工作。智能家居是利用網(wǎng)絡(luò)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在住宅中集成與生活相關(guān)的電器設(shè)備，構(gòu)建綜合管理系統(tǒng)，打造舒適、便利、安全、節(jié)能、環(huán)保的家居環(huán)境。在智能家居系統(tǒng)的研發(fā)上，歐美國家一直處于前列。在我國，雖然智能家居的研究起步較晚，但發(fā)展?jié)摿薮?，相信不久后，智能家居一定可以普及到尋常百姓家?/p>

本文結(jié)合ZigBee技術(shù)，充分運(yùn)用CC2530強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，利用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)控制服務(wù)器與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和控制，提出智能家居中的環(huán)境監(jiān)測方案，并設(shè)計(jì)檢測其功能。

1 CC2530與ZigBee的相關(guān)技術(shù)

1.1 CC2530芯片

CC2530 是真正片上系統(tǒng)(SoC)的解決方案，它可以應(yīng)用于2.4-GHz IEEE 802.15.4協(xié)議和ZigBee上。能以極低的成本建立起強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。除了擁有先進(jìn)的RF性能、8051MCU核心、超低功耗的通信外，CC2530還配置了專用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，組網(wǎng)便捷。本文以CC2530為基礎(chǔ)構(gòu)建家居環(huán)境檢測系統(tǒng)。

1.1.1 CPU 和內(nèi)存 CC2530的中央處理模塊為8051(單周期)。包含SFR總線、DATA總線和CODE/XDATA總線，以單周期進(jìn)行訪問。它包括一個(gè)可執(zhí)行指令的調(diào)試接口，18 Input的中斷單元。內(nèi)存仲裁器在系統(tǒng)的中心，它通過SFR總線，把CPU、DMA 控制器、物理存儲(chǔ)器與外設(shè)相連。8-KB的SRAM映射到DATA存儲(chǔ)與部分XDATA存儲(chǔ)中。32/64/128/256 KB閃存執(zhí)行程序的存儲(chǔ)器，以及映射(CODE和XDATA)。

1.1.2 外設(shè) CC2530的外設(shè)有5通道的DMA，用于數(shù)據(jù)的傳輸。一個(gè)專用定時(shí)器(遵守IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議)，三個(gè)通用定時(shí)器(16位的定時(shí)器與兩個(gè)8位的定時(shí)器)，一個(gè)用于實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)值的睡眠定時(shí)器[1]。調(diào)試接口用于電路的控制與調(diào)試。輸入輸出控制器用于控制和配置引腳。ADC用于采集外部電壓與操作轉(zhuǎn)換程序。AES協(xié)處理器用于安全控制與加密。USART是用于串行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以進(jìn)行全雙工操作。五端口的USB控制器用于處理數(shù)據(jù)的傳輸，執(zhí)行相關(guān)協(xié)議的指令。

1.2 Zigbee技術(shù)

ZigBee是一種新型的通信協(xié)議，它具有傳輸距離短、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低的特點(diǎn)。該協(xié)議有五層，自下而上分別是物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)，處于最底的兩層遵守IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[2]。

ZigBee的特點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

(1)功耗小。由于ZigBee 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率低、數(shù)據(jù)量小，在信號(hào)的傳輸中耗時(shí)很短；在低耗電待機(jī)情況下，ZigBee節(jié)點(diǎn)省電、功耗小。

(2)低速率。ZigBee 工作在10kbps-250kbps的通信速率間。

(3)安全可靠。ZigBee擁有完整的CSMA-CA機(jī)制，能保證安全地傳輸數(shù)據(jù)。

(4)傳輸距離短。ZigBee 技術(shù)的有效范圍在10～100 m之間。

(5)兼容性。ZigBee可與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫對(duì)接，協(xié)議簡單，兼容性高。

ZigBee的典型網(wǎng)絡(luò)分為星型, 樹型還有網(wǎng)狀型。由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自由組合。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包含兩塊內(nèi)容。一是中央控制器通過ZigBee與設(shè)備相連。因CC2530模塊的特性，處于末端ZigBee節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)擴(kuò)展，組網(wǎng)高效便捷。二是中央控制器與手機(jī)、Internet連通，用戶可以通過電腦、手機(jī)查看家居狀況[3]。

家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是使用手機(jī)或計(jì)算機(jī)通過中控發(fā)送查看與操作命令，這些命令使用ZigBee網(wǎng)發(fā)送到終端模塊，終端模塊根據(jù)命令執(zhí)行操作，如此反復(fù)循環(huán)。系統(tǒng)的終端模塊包含溫濕度的檢測、空氣質(zhì)量的檢測、可燃?xì)怏w的檢測，它們相互獨(dú)立，用戶數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯集到中央控制器，方便查看與操作。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的Zigbee節(jié)點(diǎn)都穩(wěn)定地供電。CC2530的工作電壓為3.3V，外圍三個(gè)模塊都需要3～5 V的電源。由于每個(gè)模塊是可以共地的，并且使用同一電源。在綜合考慮下，選擇使用LM2596，它具有優(yōu)良的電路保護(hù)、過載限制。在設(shè)計(jì)電路時(shí)它需要極少的外圍器件，提供的有：3.3V、5V、12V及可調(diào)電壓。在本文中使用的是9V電池供電，電源模塊使用9V的電池輸入，通過LM2596輸出5V電壓,和 3.3V電壓[4]。

2.3 溫濕度檢測模塊設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器的型號(hào)多種多樣，但由于DHT11在靈敏度與價(jià)格上有其自身的優(yōu)勢，因此選用DHT11組建溫濕度檢測模塊。DHT11傳感器具有先進(jìn)的溫濕度傳感技術(shù)，使用8位單片機(jī)與感濕模塊、測溫模塊相連接，為4Pin單排引腳封裝[5]。每個(gè)DHT11傳感器都進(jìn)行過極為精確的校準(zhǔn)，精確參數(shù)儲(chǔ)存寫入內(nèi)存,在分析檢測信號(hào)時(shí)把獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比。傳感器傳輸距離超過20m。

該傳感器的工作電壓為3.0～5.5 V，可以與CC2530共用電源，大大地簡化了溫度傳感器的外圍電路模塊的設(shè)計(jì)。DHT11在數(shù)據(jù)線長度小于20 m時(shí)用5K的上拉電阻。

傳感器通信過程中，DHT11日常工作在低速狀態(tài)，待接收到MCU發(fā)送工作信號(hào)后,DHT11立即切換到高速的模式。當(dāng)主機(jī)發(fā)送的信號(hào)結(jié)束后, DHT11發(fā)送響應(yīng)的信號(hào), 發(fā)出40bit的采集信息, 并觸發(fā)一次數(shù)據(jù)的采集, 所有數(shù)據(jù)可供用戶讀取[6]。

2.4 空氣質(zhì)量檢測模塊設(shè)計(jì)

伴隨著空氣的污染，有必要對(duì)住房內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)若發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生濃煙等，也需要警報(bào)，因此進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測模塊設(shè)計(jì)。

MQ135傳感器對(duì)有害氣體(NH3 、多硫化物、苯、煙霧)的檢測靈敏度較高。MQ135傳感器檢測氣敏物質(zhì)是二氧化錫，它在潔凈的空氣中的電導(dǎo)率較低。當(dāng)把傳感器置于有害氣體中時(shí)，二氧化錫的電導(dǎo)率會(huì)增大，有害氣體濃度越高其導(dǎo)電率越大，隨即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)[7]，從而得到空氣質(zhì)量的檢測反饋。見圖1。

2.5 可燃?xì)怏w檢測模塊

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，家庭首選天然氣安裝在廚衛(wèi)間，在它使用便捷的同時(shí)也具有一定的安全隱患。MQ-5與MQ-135雖同為MQ系列氣體傳感器，但其功能上存在一定的差異，因此選用MQ-5氣敏傳感器，它對(duì)城市煤氣、天然氣的檢測靈敏度較高。該傳感器含氣敏材料，傳感器的引腳用于提取信號(hào)和加熱氣敏材料。同MQ135相同，通過調(diào)整可變電阻RP來控制TTL輸出，直至輸出到可識(shí)別狀態(tài)[8]。

MQ-5傳感器的檢測范圍較寬，因此需要預(yù)設(shè)報(bào)警值。如果環(huán)境中有害氣體濃度超過一定的量，傳感器就會(huì)發(fā)出警報(bào)。考慮到用戶對(duì)家居環(huán)境的安全性較敏感，因此預(yù)設(shè)報(bào)警值為350ppm，此時(shí)氣敏電阻在33K左右[9]。

圖1 MQ135空氣質(zhì)量檢測傳感器原理圖

3 硬件測試工作

3.1 電源模塊的測試

將9V電源與LM2596的輸入端連接，把萬用表打到20V的測量檔，而后測量LM2596的輸出端電壓。經(jīng)過測試，與實(shí)際需求對(duì)比，此電源模塊可以滿足系統(tǒng)需要。

3.2 溫濕度檢測模塊的測試

圖2 DHT11檢測數(shù)據(jù)圖

將5V的電源與DHT11相連，地端接GND，將CC2530接入，使用電吹風(fēng)機(jī)對(duì)DHT11探測口持續(xù)噴上熱氣。為了更好的顯示實(shí)時(shí)溫濕度參數(shù)，加入OLED顯示屏顯示。

測試表明，DHT11傳感器的工作狀態(tài)良好，配合OLED顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)地顯示當(dāng)前溫濕度。當(dāng)DHT11未接入時(shí)，溫濕度顯示數(shù)據(jù)為空。當(dāng)接入DHT11時(shí)，能夠顯示當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度，如圖2。當(dāng)用電吹風(fēng)機(jī)對(duì)DHT11探測口持續(xù)噴上熱氣時(shí)，顯示屏的數(shù)據(jù)有顯著的變化。

3.3 空氣質(zhì)量檢測模塊的測試

(1)將5V的電源與MQ135相連，將A、B的信號(hào)線連接Vcc端，地端接GND。將CC2530的狀態(tài)檢測端口接入，當(dāng)模塊有低電平信號(hào)的時(shí)候，該端電平也是為低電平。當(dāng)模塊輸出高電平的時(shí)候，傳感器模塊信號(hào)的電平電壓為5V[10]。

(2)連接好各端口后，使用串口助手，設(shè)定好參數(shù)，開啟電源。在顯示器顯示Zigbee聯(lián)網(wǎng)完畢的狀態(tài)后，打開一瓶白酒，待傳感器的預(yù)熱完畢后，由遠(yuǎn)及近放置到傳感器周圍，發(fā)送檢測指令，檢測出不同的數(shù)據(jù)。

測試表明，隨著酒瓶瓶口的靠近，傳感器反饋的數(shù)值有增大的趨勢，如此反復(fù)測試三遍，查看反饋到串口的數(shù)據(jù)。通過酒精測試，得出M135空氣質(zhì)量檢測傳感器能很好地勝任家居環(huán)境的檢測工作(使用丁烷測試也可以達(dá)到同樣的反饋效果)。

3.4 可燃?xì)怏w檢測模塊的測試

對(duì)MQ-5傳感器有害氣體檢測模塊進(jìn)行測試，預(yù)設(shè)報(bào)警值為350ppm。

(1)連接MQ-5傳感器與5V電源，連接好相關(guān)端口。連接Zigbee與計(jì)算機(jī)的USB接口，給Zigbee節(jié)點(diǎn)接上3.3V的電源(與模塊的電源共地)。

(2)開啟串口調(diào)試助手，設(shè)定好參數(shù)，開啟電源。計(jì)算機(jī)顯示Zigbee組網(wǎng)成功的狀態(tài)后。使用打火機(jī)對(duì)著可燃?xì)怏w傳感器噴氣，可燃性氣體濃度達(dá)到臨界值后，模塊的便會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如此反復(fù)測試三遍，查看反饋到串口的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有逐漸增大的趨勢。

測試表明，當(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度達(dá)到350ppm時(shí)，MQ-5可燃?xì)怏w檢測模塊便自動(dòng)報(bào)警，并傳輸數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文通過分析行業(yè)發(fā)展情況和調(diào)研市場，設(shè)計(jì)了家居環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件部分。系統(tǒng)以CC2530為通信核心，以各個(gè)控制模塊為終端節(jié)點(diǎn)，利用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)傳輸，完成了智能家居中的環(huán)境監(jiān)測解決方案，設(shè)計(jì)各元器件的電源轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控功能，設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量檢測功能，設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w檢測功能。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能靈敏的獲取溫度、濕度、有害氣體檢測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成對(duì)家居環(huán)境的伺服檢測。伴隨著技術(shù)發(fā)展，這一研究將會(huì)使得家居生活更加便捷、美好。

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