基于Zigbee的智能窗户控制系统

夏伏洋

摘要： 本文设计了基于Zigbee的智能窗户控制系统，设置主控制模块的CC2530单片机为协调器，其它CC2530单片机为终端节点建立无线数据通信系统。在主控制模块上集成GSM模块、燃气传感器模块，其中GSM模块可以实现手机远程短信控制系统的功能，燃气传感器模块可以检测环境中可燃气体的浓度，超出规定的阈值及时进行开窗控制。终端节点上集成了雨滴传感器、人体热释电传感器、电机控制模块，由传感器进行信息采集，送到终端节点单片机进行分析处理，最终控制电机模块实现窗户的自动开闭工作。

关键词：Zigbee；单片机；嵌入式系统；智能窗户

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0187-03

The Control System of Smart Window Based on Zigbee

XIA Fu-yang

（Wuxi Vocational College of Science of Technology， Wuxi 214028， China）

Abstract：A control system of smart window based on zigbee technology was designed in this paper. It sets the main control module of CC2530 for the coordinator device，the others cc2530 was setted as end devices.The devices build on the wireless communication system.The GSM module and gas sensor module in the main control board.GSM module could realize the function of telephone control and the gas sensor could detect the gas concentrations in air.The system will open the window if the detected value lager than the setting threshold value.There are rain sensors，person sensors and motor control modules in these end devices.These sensors gather information and transmit it to MCU，the MCU analysises the information and controls windows works well.

Key words： Zigbee；CC2530； Embedded System； Smart Window

日常生活中，白天外出上班無人在家，或者夜里人们都已经熟睡的时候，如果家里的窗户打开着，外面又下起雨来，就需要及时将窗户关上，不让外面的雨水进入到室内；如果家里使用的燃气发生泄漏，一旦超过了一定了浓度就会有爆炸的危险，所以就需要第一时间打开窗户进行通风，及时降低可燃气体的在空气中的浓度；如果窗户打开着，有小偷想从窗户进入室内，就需要及时关闭窗户并发出警报；又如果你在外面想让家里的窗户打开换气或者直接关闭窗户，这些都很难实现。

为了解决上述问题，本文提出了一种窗户智能控制系统，它是基于Zigbee技术实现的，通过雨水传感器实时感知室外雨量信息。一旦检测到有雨水时，终端节点发送数据到协调器进行分析处理，并由协调器发出控制信号到所有终端节点自动关闭所有窗户；通过燃气传感器实时监测室内空气中的天然气、液化气的浓度，当浓度超过警戒值时，发出控制信号，自动打开所有窗户；通过人体红外热释电传感器检测到窗外有人要闯入室内时，自动关闭窗户并发出警报；系统集成GSM模块，通过手机短信发送控制命令信来打开或者关闭窗户。

1 Zigbee技术

ZigBee技术是目前使用非常广泛的一种短距离的无线通信技术。它采用跳频和扩频技术，成本低，无线通信的性能非常可靠稳定。它有自己的无线通信协议，可与若干个节点相互联网，可以在数千个通信节点之间相互通信。ZigBee最大的特点是它的低成本和低功耗，这使得其在需要使用无线通信的各个领域有很大的应用和发展空间。

目前Zigbee协议主要应用于CC2530单片机，它是一款SoC片上系统单片机，完全兼容8051内核，在该51内核的外围集成了射频模块，使其具有无线收发数据的功能。它是目前应用最广泛、操作最简单的无线通信设备。

2 系统设计方案

本系统的设计方案包括手机、窗户控制系统，其中手机具有发送和接收短信功能，窗户控制系统包括CC2530主控制模块、多个CC2530传感控制终端节点；主控制模块如图1所示，包括CC2530单片机、燃气传感器模块、数码管、警报器模块、GSM模块、按键模块；CC2530单片机配置为协调器，负责建立无线网络并管理其他的网络节点。燃气传感器模块的输出TTL电平的信号线接单片机的外部中断输入引脚上；数码管、警报器模块包括1个2位8段数码管接单片机的IO引脚和1个由单片机U1的IO引脚连接继电器控制的12V的声音报警器；GSM模块主要实现远程控制功能，通过SIM卡发送和接收短信，将数据通过RS232串口与单片机相连。按键模块包括两个按键，接单片机的两个输入输出IO口上。

图1 主控制模块图

传感控制终端节点如图2所示，包括CC2530单片机、雨滴传感器模块、人体红外热释电传感器模块、电机控制模块、按键模块；通过程序下载软件配置CC2530单片机为终端节点，系统上电后会自动加入到无线网络，该节点负责传感器数据采集和电机控制。雨滴传感器模块的输出信号线接的外部中断输入引脚INT（1）；人体红外热释电传感器模块的输出信号线接单片机的外部中断输入引脚INT（2）；电机控制模块如图3所示，包括两个BTS7960电机控制芯片、电流传感器模块、ADC0809 AD转换芯片、电机接线端子；按键模块包括两个按键，接单片机的两个输入输出IO口。

3 系统软件设计

3.1 无线传感网络程序设计

基于Zigbee协议的无线网络建立时，通过软件设置其中一个节点为协调器节点，另外的节点设置为终端节点。本系统协调器软件工作流程如图4所示。终端节点初始化后自动加入到协调器组建的无线网络中，可以和协调器之间进行无线通信。终端节点通过连接在单片机上的传感器定时采集环境信息，并调用Zigbee协议栈里的无线发送函数将采集到的数据无线发送给协调器进行处理，同时终端节点通过Zigbee协议栈里的无线接收函数实时接收协调器无线发送的控制命令，根据指令操作电机来控制窗户的开闭工作。如图5所示。

3.2 系统程序的控制方法

主控制模块放置于厨房间，其他的传感控制终端节点放置在需要自动控制的窗户旁边，其中窗户为可以电动开闭的窗户。系统分别上电后，窗户控制系统中的所有CC2530单片机自动组建无线网络，主控制模块的CC2530单片机为协调器，其他CC2530单片机都为终端节点。手机向窗户控制系统的SIM卡发送短信，短信内容为“open”或者“close”，窗户控制系统上的SIM卡收到短信后，将短信的内容通过串口传递给CC2530协调器，协调器读取短信的内容，如果是“open”字符串，则协调器将字符串“open”向所有终端节点广播发送；如果是“close”字符串，则协调器将字符串“close”向所有终端节点广播发送。字符串广播发送完成之后，单片机通过串口发送字符串“Command Finished”到GSM模块，GSM模块的串口收到信息后，将信息通过短信发送到用户手机。

主控制模块置于厨房间，燃气传感器模块定时循环检测空气中可燃气体的浓度，一旦浓度超过警戒值，模块的TTL电平输出信号线上的由高电平跳变为低电平，立刻触发单片机的外部中断，设置此外部中断具有最高优先级，在外部中断的处理程序中调用无线发送函数，将字符串“open”向所有终端节点广播发送。字符串广播发送完成之后，单片机将主控节点编号显示在数码管上并控制声音报警，然后通过串口发送字符串“Gas Alarm”到GSM模块。

每个传感控制终端节点都有雨滴传感器模块，雨滴传感器置于窗外，其中任何一个雨滴传感器检测到有雨水信息时，它的输出信号线上由高电平跳变为低电平，立刻触发单片机的外部中断，在外部中断处理程序中向协调器发送“RAIN”字符串。协调器实时接收终端节点发送过来的字符串，并分析字符串是否为“RAIN”，如果是则协调器向网络中所有的终端节点广播发送“close”字符串。字符串广播发送完成之后，单片机通过串口发送字符串“Rain Windows Closed”到GSM模块，GSM的串口收到信息后，自动将信息以短信形式发送到指定的用户手机。

终端节点设置窗户的初始状态为关闭，状态标志为“G”，窗户打开后，状态标志为“K”。终端节点收到广播信息后对字符串进行分析，如果是“open”字符串且状态标志为“G”，则控制电机控制模块打开窗户，并设置状态标志为“K”；如果是“close”字符串且状态标志为“K”，则控制电机控制模块关闭窗户，并设置状态标志为“G”；如果不是上述两类字符串，则该数据直接丢弃。

电流传感器模块负责检测窗户电机的工作电流，窗户在移动的过程中电机的工作电流较小，一旦窗户移动到底不能再继续移动的时候，电机的工作电流会突然增大，这时电流传感器模块可以实时检测到这个变化通过AD转化芯片ADC0809将信息傳输给CC2530单片机，单片机收到此信息后控制电机停止工作，这样就可以完成窗户的开闭动作。在主控制模块单片机端另外提供了键盘电路，可以手动按下“开”、“关”按键，同样可以实现打开、关闭所有窗户的功能。在传感控制终端节点端也提供了键盘电路，可以手动按下“开”、“关”按键，打开和关闭该节点所对应的窗户。应用该系统后，操作简单方便，大大减轻了操作者开关窗户的负担。

4 总结

本文设计了一种窗户智能控制系统，通过手机发送控制命令的短信到窗户控制系统上，可以远程打开和关闭所有窗户。窗户控制系统上的雨滴传感器模块一旦传感器采集到雨水信息时，系统就会通过无线方式发送指令给所有终端控制窗户上的电机工作，从而可以关闭窗户。操作根据雨水信息自动进行，大大减轻了操作者开关窗户的负担。同时也可以通过每个终端节点上的按键控制电机的正转、反转来打开或者关闭窗户，具有较好的实用性。

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