基于ZigBee的智能家居安防的硬件設(shè)計(jì)
引言
在信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，嵌入式設(shè)備已經(jīng)深入到了 人類生活的各個(gè)方面，智能設(shè)備更是成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁?可或缺的一部分。隨著能源的日漸消耗，環(huán)保節(jié)能刻不容緩。 因此，在現(xiàn)在和未來(lái)的家居生活環(huán)境中，我們更需要一種高效 節(jié)能的、智能的、綠色環(huán)保的智能家居安防系統(tǒng)。
1智能家居安防系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
圖1是智能家居安防系統(tǒng)的整體功能框圖和設(shè)計(jì)方案。 從圖中可以看出，本系統(tǒng)可以分為3個(gè)部分，首先是底層的智 能家居安防網(wǎng)絡(luò)，這是整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分，可以監(jiān)測(cè)溫度、 光強(qiáng)、煤氣、人體紅外、門窗、燈光控制等。在硬件部分的基 礎(chǔ)上市安防信息監(jiān)控管理和Android智能終端監(jiān)控，這是整 個(gè)系統(tǒng)的軟件部分，主要是對(duì)從底層收集到的信息做出處理并 給出控制信號(hào)。本文主要研究底層的硬件設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
目前，無(wú)線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下發(fā)展迅猛，比如 紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、近場(chǎng)通訊技術(shù)等，通過(guò)對(duì)這幾 種技術(shù)的研究與比較，本文最終確定選用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)本 文的硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的核心部分，這部分必須 要滿足ZigBee協(xié)議規(guī)范。另一部分是實(shí)現(xiàn)供電、復(fù)位的底板。 所有硬件的核心就是整個(gè)硬件部分的邏輯圖如圖2所示。
2.1基于CC2530模塊的ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
美國(guó)德州儀器TI生產(chǎn)的CC2530是一種SoC芯片，基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議規(guī)范。圖3所示是CC2530 的射頻模塊電路，同時(shí)，TI公司還專門為使用CC2530芯片的 用戶提供了整套的開發(fā)工具和Z-stack協(xié)議棧，通過(guò)這個(gè)專用 工具，用戶可以節(jié)約大量的開發(fā)時(shí)間并且可以按照自己的想法 開發(fā)自己的產(chǎn)品。CC2530芯片本身就是一個(gè)非常成熟的芯片, 同時(shí)功能也非常強(qiáng)大，用戶只需要給其接入產(chǎn)品需要的外圍器 件就可以滿足用戶的開發(fā)要求。本文為了使CC2530模塊能夠與 傳感器相連接，采用排針將CC2530的I/O 口引出來(lái)，如圖3中 的P1和P2。
2.2傳感器底板的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)傳感器底板主要包括電源、調(diào)試接口、通信接 口以及和各個(gè)傳感器相連接的接口。其傳感器地板電路原理 圖如圖4所示。
從圖4電路圖中可以看出，本設(shè)計(jì)中的傳感器底板包括 以下幾個(gè)主要部分：
(1)如圖所示，P1和P2是兩個(gè)排母，主要用于連接底板和CC2530模塊的I/O 口。而P3和P4則是底板上將I/O 口 和外部傳感器和LED燈以及各個(gè)按鍵相連接的排針。這樣做 可以有效地避免干擾射頻電路。
本設(shè)計(jì)可以通過(guò)兩種方式供電：一種是電源供電，另 外一種是電池供電。同時(shí)采用AMS1117的穩(wěn)壓芯片以及10 uF 和0.1 uF的電容，主要是為了解決外部電壓不穩(wěn)定同時(shí)達(dá)不 到3.3 V的問(wèn)題。
JTAG調(diào)試接口選用的是P21作為芯片的調(diào)試數(shù)據(jù)線, P22作為調(diào)試時(shí)鐘信號(hào)線，再加上Reset信號(hào)線，電源和地線 就可以完成芯片的在線調(diào)試了。
在實(shí)現(xiàn)RS232串口電路的設(shè)計(jì)中，可以利用CH2430 芯片將串口轉(zhuǎn)成USB 口。圖5所示是其實(shí)物圖。
圖5 ZigBee節(jié)點(diǎn)底板和CC2530射頻模塊實(shí)物圖
2.3系統(tǒng)中各模塊的選型和設(shè)計(jì)
在本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，主要完成對(duì)溫度、氣體、 光強(qiáng)、人體，以及遠(yuǎn)程控制燈的開關(guān)的功能，所以在傳感器 節(jié)點(diǎn)的模塊上，還需要溫度模塊、氣體模塊、光敏模塊，以 及人體感應(yīng)模塊等。下面就對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的介 紹(以便之后選型):
人體紅外傳感器模塊：本文采用的是TSKS5400S紅 外傳感器。此款傳感器正常的工作電壓是3~10 V，最小輸出 電壓為3 V，同時(shí)本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電壓是3.3 V，所以不需要對(duì) 電壓進(jìn)行變化。除此之外，本文選擇了 BIS0001紅外傳感信 號(hào)處理器對(duì)TSKS5400S紅外傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。
煙感傳感器模塊：煙感傳感器的種類很多，本文選 擇了 MQ-2Q氣體傳感器。其具有探測(cè)范圍廣、靈敏度高、穩(wěn) 定性優(yōu)異、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
光敏傳感器模塊：本文設(shè)計(jì)中選擇的光敏電阻就是 眾多光敏傳感器中的主要的一款傳感器。光傳感器是利用光 敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，他不但可以對(duì)光進(jìn) 行探測(cè)，還可以探測(cè)到許多非電量。
溫度傳感器模塊：本設(shè)計(jì)中選擇的是DS18B20數(shù)字 溫度計(jì)作為溫度傳感器。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公 司生產(chǎn)的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)。
燈控模塊：本設(shè)計(jì)中的燈控模塊主要是通過(guò)將繼電 器安裝燈的開關(guān)處，通過(guò)控制繼電器的通斷來(lái)控制燈的亮滅。 2.4系統(tǒng)的整體架構(gòu)
圖6所示是其系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。通過(guò)對(duì)ZigBee技術(shù) 的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的分析，結(jié)合智能家居安防的特點(diǎn)，最終確 定星型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)。圖中有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主 要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，還要對(duì)終端節(jié) 點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，主要的功 能就是采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。
圖6系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖
3結(jié)語(yǔ)
伴隨著快節(jié)奏的工作生活，大量的信息覆蓋了人們生活 的方方面面，一個(gè)能夠幫助人們管理家庭事務(wù)信息并分擔(dān) 家庭事務(wù)的智能化環(huán)境更加適應(yīng)發(fā)展潮流。而在智能家居 中，人們更關(guān)心的就是智能家居安防系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)中 ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、硬件底板的設(shè)計(jì)方法以及各個(gè)傳感器的 選型，最后給出了智能家居安防系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)圖。
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