基于ZigBee技术的家居智能控制系统设计

摘　要：本设计是一个采用ZigBee技术、GPRS技术将家庭控制网络与外界网络进行连接的家居智能控制系统。用户通过拨打电话装置，将控制家电设备的要求送给MSP430F169微处理器处理，再由处理器给红外控制节点发送控制某家电设备的命令，最终达到控制设备的目的，并通过GPRS向室外的用户汇报设备运行情况。

关键词：ZigBee技术；GPRS技术；智能家居；微处理器；家电控制

本设计是一个把网络通讯技术、自动化技术和计算机技术结合在一起的网络智能化家居系统。通过智能家居系统人们可以更方便快捷的使用和控制家用设备，从而给人们带来高效、安全、舒适的生活体验。
1.系统设计方案
　　家居智能控制系统总体框图如图1.1所示，本系统主要由MSP430F169微处理器、电话装置、液晶触摸屏电路、电源电路、GPRS收发模块、ZigBee无线通讯模块等构成。用户通过拨打电话装置，将控制家电设备的要求送给MSP430F169微处理器处理，再由处理器给红外控制节点发送控制某家电设备的命令，最终达到控制设备的目的，并通过GPRS向室外的用户汇报设备运行情况。
　　

图1.1 总体结构框图
2.硬件设计
2.1 MSP430F169微处理器
　　本设计选用美国TI公司的MSP430系列的微处理器，它是一种16位超低功耗、自带DAC模块的信号处理器。它有强大的处理能力，丰富的片上外围模块，方便高效的开发环境和多种时钟模块。
2.2 GPRS无线通信模块
　　本模块采用的SIM300芯片是一款三频段GSM/GPRS模块，其接口电路如图2.1所示。MSP430与SIM300的硬件连接通过RX、TX和GND三线连接。处理器用USRTO串行通信口通过此三线运用异步通信模式向GPRS模块写入命令，向远程的用户汇报家电运行情况。
　　　         
图2.1 MSP430与SIM300的硬件连接图    图2.2 MSP430与CC2420的硬件连接图
2.3 ZigBee无线通讯模块设计
　　无线收发芯片选用了TI公司的CC2420，这款芯片兼容IEEE.802.15.4无线收发芯片，CC2420与MSP430的连接如图2.2所示，只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态，SFD引脚表明是否在接收或发送数据帧；FIFO在接收数据中指示接收缓冲器中是否有数据；FIFOP用于指示接收数据的上限到达或者完整地接收帧；CCA用于查看信道是否为空。处理器通过SPI接口(CSn、SI、SO、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，并通过该接口访问CC2420内部寄存器和储存器。在访问过程中，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。
2.4 电话远程控制模块
　　该模块设计如图2.3所示，当远程的用户向家中拨打电话时，电话接口电路将电话线上的信号分成几路，分别输到不同的处理模块中。摘机电路处理电话线上的拨号音，振铃检测电路处理振铃信号，DTMF收发电路接收和发送DTMF信号。语音电路利用语音芯片来进行语音提示和应答，如“请输入密码”、“设备***开启”、“操作成功”等。预先将要用到的语段烧入芯片中，运行时取出所需的语段连成句子，再加入适当的延时输出。检测到用户按键后立即停止该语句的播放，转入下一步操作中。
　　
　　
　　图2.3 电话装置模块硬件设计图
2.5 家电控制模块
　　如图2.4所示，MSP430F169向CC2420发出遥控指令，位于红外控制节点的CC2430接收到相应的指令，驱动学习型控制模块发出红外线，控制空调、电视机等传统型家电。

图2.4 家电控制模块系统框图
2.5.1 红外发射电路设计
　　如图2.5所示，红外控制节点将CC2430作为微处理器接收到的指令通过P1.0输出，考虑到红外发射的距离和有效性，电路红外发射管加了三极管进行放大。
2.5.2 红外接收电路设计
　　如图2.6所示，红外接收端使用的是HS0038B红外接收头，HS0038B将接收到的红外信号转为电信号，通过Vout发出红外线，控制空调、电视机等传统型家电设计。
　　　　　　   
　　　　　　图2.5 红外发射单元电路图      图2.6 红外接收单元电路图
2.6 液晶触摸屏控制模块
　　本设计采用四线电阻式触摸屏通用的BB公司生产的ADS7846控制芯片，具有12位转换精度，支持SPI通讯协议；液晶屏控制器采用的是EPSON的SED1335，带有32K字节的SRAM，支持文本显示和图形显示(320×240点)两种方式，最多3层图形显示合成。
2.6.1 触摸屏控制芯片与单片机的接口电路
　　如图2.7所示，ADS7846是四线式触摸屏的控制器，控制器的主要功能是分时向X、Y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触点的X、Y坐标，并通过笔中断请求向MSP430F169表示有触摸发生。

图2.7 触摸屏控制电路接口电路
2.6.2 液晶控制芯片与单片机的接口电路
　　如图2.8所示，SED1335通过DB0-DB7八根数据线与MSP430进行数据传送，A0信号不是独立的，而是与片选信号CS组合定义的。当液晶屏上显示出需要操作的画面，我们通过手指或笔进行操作时，用户在触摸屏上有效区域点击，触摸屏的X方向输出电阻和Y方向输出电阻分别随X和Y呈线性变化，ADS7846控制器将其分别转换为12位数据，通过中断告知单片机需要接收数据，单片机接收到数据后进行处理。在接收过程中通常是采用多次平均的方法，假如有一次接收的数据和平均值差别很大，则这次测量就作废了，需要重新测量。一旦数据有效，单片机接着解算触点坐标落在液晶屏的位置，根据解算的结果判断执行相应的功能函数。使触摸屏和液晶屏有机的结合起来，建立一定的逻辑关系，交互地进行信息存取和输出。

　　图2.8 触摸屏模块接口电路图
3. 主程序设计 
　　如图3.1所示，MSP430的初始化包括设置引脚功能、SPI初始化、串口初始化、定时器初始化等。射频芯片CC2420的初始化包括芯片复位、芯片管脚的初始化及内部寄存器的初始化。程序在初始化之后，进入循环状态，与家庭子系统建立ZigBee网络，进行数据的接收和发射，并调用子程序命令，将有效的命令显示在液晶屏幕上，从而实现智能化家居管理。
　　
　　图3.1 软件总流程图
4. 总结
　　本次设计的基于ZigBee技术的家居智能控制系统是比较理想的智能家居系统，突出特点是(1)系统和无线收发单元结合在一起，通过无线控制可以将家庭中的所有设备联网，构成了一个完整的无线控制网络，在实际上突破了由线路限制从属设备数量的局面。(2)可实现室内、室外的集成化管理控制，方便快捷。（3）用户可通过电话装置远程控制系统访问家居状态，可适时监控管理。
　　
作者简介：邵雯（1981-），女，江苏宜兴，汉族，讲师，大学本科，硕士，研究方向：为应用电子技术，

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