基于ZigBee的智能窗控制系統(tǒng)設計

摘要：為了達到窗體智能監(jiān)控及遠程控制的目的，設計引入了ZigBee無線通訊網(wǎng)絡作為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡，并將多種傳感器和窗體控制器連接到ZigBee網(wǎng)絡中。通過GSM模塊、ZigBee模塊實現(xiàn)對窗體的手機遠程控制、入侵報警、風雨報警以及煙霧報警等多種控制手段。給出了系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)，并對傳感器選型以及各個功能的具體實現(xiàn)進行了詳細的說明。實驗表明了該系統(tǒng)在家庭應用中的可行性。

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(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，如下雨則自動關(guān)窗、室內(nèi)有害氣體超標則自動開窗、有盜賊入內(nèi)則自動報警等，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)絡技術(shù)，是智能家居系統(tǒng)中的一個子模塊，其實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)絡技術(shù)，實現(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“人機對話”系統(tǒng)，實現(xiàn)了戶主對窗戶的遠程監(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短信指令作出判斷，實現(xiàn)對窗體進行控制，使窗戶真正“智能”起來。

1 系統(tǒng)硬件設計

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;所設計系統(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，GSM模塊將當前窗戶的狀態(tài)以及開啟或關(guān)閉的原因以手機短信的方式反饋給戶主;戶主經(jīng)判斷后可以發(fā)送手機短信指令控制窗戶的開關(guān)或采取相應的措施;另外，戶主也可在室內(nèi)通過室內(nèi)遙控器實現(xiàn)對窗戶的開關(guān)的進行控制，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實現(xiàn)。主要負責接收傳感器、紅外模塊等發(fā)送的外部環(huán)境信息，對外部環(huán)境信息進行判斷后，對窗體發(fā)送相應的動作指令，同時觸發(fā)GSM模塊，向戶主發(fā)送手機短信報告當前窗戶的狀態(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I/O口的占用數(shù)量。通過濕度傳感器監(jiān)測，當室外下雨時，通過控制電機使窗戶及時關(guān)閉;通過氣敏傳感器監(jiān)測，當室內(nèi)可燃性氣體或煙霧超過特定標準時，窗戶自動打開通風;通過溫度傳感器監(jiān)測，當室內(nèi)的溫度超過預設值時能開窗換氣，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，這一動作的前提為當室外沒有下雨或盜情時，本系統(tǒng)采用對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;當窗戶外有人接近，阻斷了紅外傳感器的發(fā)射接收通路時，窗戶會立刻關(guān)閉并發(fā)出聲音報警，同時將這一情況以手機短信的形式發(fā)送給戶主，起到防盜報警作用。

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，向用戶提供標準的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，方便用戶的應用開發(fā)及設計。GSM通過串行總線RS232與MC9S08GB60連接。在執(zhí)行開啟和關(guān)閉窗戶的動作時，中心控制模塊通過GSM模塊向戶主發(fā)送手機短信告知戶主窗戶狀態(tài)及動作原因。戶主也可通過手機短信的方式遠程控制窗戶的開啟和關(guān)閉。

5)ZigBee模塊。采用飛思卡爾MC13213模塊實現(xiàn)，內(nèi)部集成了MC13192射頻模塊和一個飛思卡爾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，暢順的強力輸出，運行穩(wěn)定，并具有過載保護裝置。

2 系統(tǒng)軟件設計

1)初始化程序。包括MC9S08GB60單片機的初始化，GSM模塊的初始化，定時器/計數(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)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

3)溫度傳感器。MC9S08GB60d對DS18B20的寫操作指令為：數(shù)據(jù)線先置低電平“0”;延時確定的時間為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);延時時間為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DS18B20的讀操作指令為：數(shù)據(jù)線拉高“1”;延時2μs;將數(shù)據(jù)線拉低“0”;延時15μs;將數(shù)據(jù)線拉高“1”;延時15μs;讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理;延時30μs。

4)氣敏傳感器。MC9S08GB60對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^定時器定時讀取電壓值并與設計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的軟件接口其實就是單片機通過RS232與GSM短信息有關(guān)的AT指令控制手機的控制技術(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)設計采用GSM模塊的PDU模式進行短消息的收發(fā)。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

3 結(jié)束語

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