1、 长江大学电子系统设计竞赛文档设计部分题目：寝室智能化组长：刘 兵组员：李 云郭子良肖诗卉基于 ZigBee 的寝室智能化摘要 该设计采用 TI 公司的 CC2530 片上系统，结合了领先的 RF 收发器的优良性能和业界标准的增强型 8051 CPU，完成强大的 zigbee 功能，以此组建寝室无线网络，实现寝室智能化。本设计主要实现的寝室功能：1.电子屏显示寝室各种信息，电脑上位机可实现对电子屏内容的控制。2.台灯的开关及亮暗调节，手机终端与电脑上位机可实现对其控制。3.寝室门的开关，指纹模块可实现其控制。4.寝室门的开关，手机终端可实现对其（远程）控制。5.寝室有没有人的检测，通过 GPR
2、S 传给手机终端。6.饮水机的加热，手机终端可实现对其（远程）控制。关键字：ZigBee GPRS 寝室 智能 控制一绪论随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的的发展变化，人们对家居环境的安全性、舒适性、效率性、透明性提出了更高的要求。同时越来越多的家庭要求家居产品不仅要具备简单的智能，更要求整个系统在功能扩展、外延以及服务方面能够做到简单、方便、轻松、安全。很显然，我们的家居生活需要改变。无线物联网技术的出现，给传统的智能电器、智能家居带来了新的产业机会，通过它可以将家中的各种电器通过无线方式非常方便地有机组织起来，形成一个完整的系统，从而可以实现无缝感知并完整管理。这种以前无法想象并
3、深具挑战性的应用，今天一旦使用无线物联网技术连接就会变得轻松、方便并且非常有趣。这些应用并不仅仅是生活品质的提高，更大程度上可以看作是现代家庭的一种最基本需求。物联网的 ZigBee 技术正是适应了这种趋势，得到了很大的发展。本设计就是基于这种家居智能化的思想，以我们学生生活息息相关的寝室为对象，实现物联网智能化，同时设计上考虑成本，很大程度上适合学生情况。二 方案论证与选择1. 寝室组网通讯方式选择方案一：有线方式，这种方式所有的控制信号必须通过有线方式连接，控制器端的信号线更是多得吓人，一但遇到问题排查也相当困难。有线方式缺点非常突出，布线繁杂、 工作量大、成本高、维护困难、不易组网、扩展
4、性差，无法大规模快速推广的电路设计和制作比较烦琐。方案二：蓝牙，它是一种支持设备短距离通信（一般 10m 内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。但这种技术通讯距离太短，同时属于点对点通讯方式，对于智能家居的要求来说根本不适用。另外需要说明的是蓝牙最近推出了 4.0标准，这种新标准采用了低功耗设计，通讯距离也达到 2.4G 无线信号的范围，但其缺陷依然明显，安全性、组网能力和抗干扰能力不够，更没有网络自愈功能。方案三：WiFi，它是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网接入的无线电信号。它的最大特点就是方便人们随时随
5、地接入互联网。但对于智能家居应用来说缺点却很明显，功耗高、组网能力差、安全性低。所以wifi 虽然非常普及，但在智能家居的应用中只是起到辅助补充的作用。方案四:ZigBee,它是一种新兴的近程、低速率、低功耗的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、高安全的特点。主要适合应用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的、低功耗、自组网的近程无线通讯技术。综上所述本设计采用方案四作为组网通讯方式。2.有射频功能的片上系统的选择，实现 Zigbee 技术方案一：采用 ST 的 STM32W108，虽然集成了
6、射频功能，但协议栈不成熟，成本较高。方案二：采用 TI 的 CC2530，有德州仪器业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈（Z-Stack） ，提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案，并且采用 51 单片机内核，方便编程，成本也较低。综上所述本设计采用方案二作为片上系统的选择。三 系统硬件设计该设计有如下几大部分，CC2530 部分、GPRS 部分、台灯部分、电子屏部分、磁力锁部分、超声波部分、光敏电阻部分、电脑上位机及手机终端部分。整个设计框架如下：1.CC2530 片上系统 采用多个 CC2530F256，成本低，功耗低，实现 zigbee 功能，进行组网，构成星形网络，它们充当
7、一个协调器和多个终端节点，协调器与电脑相连，终端节点与寝室控制对象或者检测对象相连。电脑上位机CC2530电子屏磁力锁（寝室门）可调光台灯超声波（检测人） 光敏继电器（饮水机）GPRS 模块手机终端指纹模块2.电子屏由 16 个 8X8 点阵组成，采用 74HC595 74HC138 74HC245 APM4953(集成场效应管)等芯片驱动。实现寝室信息的显示，比如时间、温度、通告、值日情况等。3.磁力锁采用 KOB 品牌的 60KG 磁力锁，价格便宜，最大拉力为 60kg，输入电压为直流 12V，通过 9013 三极管和继电器进行通断，实现寝室门的开关。相关电路如下：4.可调光台灯采用高亮
8、LED, 驱动电路使用专用 LED 驱动芯片 PT4115，它是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，可用于驱动一颗或多颗串联 LED 及高达 97%的效率。 PT4115 输入电压范围从 6V 到 30V，输出电流可调，最大可达 1.2A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115 可以驱动高达数十瓦的LED7。 PT4115 内置功率开关，采用高端电流采样设置 LED 平均电流。如图5 所示：通过 DIM 引脚可以接受模拟调光和很宽范围的 PWM 调光。当 DIM 的电压低于 0.3V 时，功率开关关断， PT4115 进入极低工作电流的待机状态。通过 PWM 调光，LED 的输出电流
9、可以从 0%到 100%变化。LED 的亮度是由 PWM 信号的占空比决定的。例如 PWM 信号 30%占空比，LED 的平均电流为（0.1/RS）的 30%。高亮 LED 驱动电路如下：5.超声波模块超声波是一种频率高于 20000 赫兹的声波，它方向性好，当有障碍物出现，声波返回，从而实现障碍物的检测。采用二个 HC-SR04 超声波模块，并行安置在门旁边，检测人的进出，可以识别人进寝室还是人出寝室，通过一些算法，从而判断寝室有没有人。6.光敏模块采用可见光光敏电阻作为光照采集器件，当光照变化时，光敏电阻阻值变化，其电压相应变化，在进行 AD 采集从而识别光强。可协助超声波实现寝室有没有人
10、的检测，是针对晚上，如果有人，相应灯会开，从而间接检测到人。光强感应与采集电路可协助台灯自动调光，根据环境的光强，智能调到合适的亮度。7.继电器模块实现对饮水机加热的开关，电路如下：8.GPRS 模块采用 SIM300 芯片，低功耗设计，可通过短消息方式远程和手机传输数据，然后该模块把有关信息通过串口传输给电脑。实现手机远程控制寝室门 台灯 饮水机加热以及知晓寝室有没有人。9.指纹模块采用 ZAZ-030 系列独立式指纹识别模块，它是深圳指昂科技公司推出的，以高速 DSP 处理器为核心，结合射频指纹传感器，在无需上位机参与管理的情况下，具有指纹录入、图像处 理、指纹比对、搜索和模板储存等功能的
11、智能型模块。通过串口与单片机交换信息。实现通过指纹识别，进入寝室。10.电脑上位机采用 QT 实现上位机，方便人对寝室各部分控制的易操作性。四系统软件设计软件设计的核心是 ZigBee 射频模块软件设计，然后是一些特定功能程序的设计。 ZigBee 射频模块软件设计是基于 CC2530 芯片，移植了 TI 公司的ZigBee 协议栈 Z-Stack，Z-Stack 协议栈采用轮转查询式操作系统，包括系统初始化和操作系统的执行，系统初始化完成初始化硬件平台和软件架构所需要的各个模块，为操作系统的运行做好准备工作，系统初始化完成后，就开始执行操作系统入口程序。轮转查询式操作系统专门分配了存放所有任
12、务事件的 tasksEvents数组，每个单元对应存放着每一个任务的所有事件，操作系统通过一个 dowhile 循环来遍历 tasksEvents，找到优先级最高的任务来处理，射频模块软件工作流程如下图所示：五 总结该设计很好体现了家居智能化，实现了物联网的应用。以 Zigbee 无线技术为核心,GPRS 为辅助，形成整个控制网络。以电脑上位机和手机为控制终端，极大方便了控制操作。以 CC2530 实现 Zigbee 技术，协议栈成熟，价格低廉。参考文献1 Zigbee Specification 2007.http:/www.zigbee.org2 Second Generation System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE / ZigBee. http:/ Zigbee 无线网络入门与实战北京航空航天大学出版社 20074杨赓Zigbee 无线传感器网络的研究与实现硕士学位浙江大学 20065瞿雷. ZigBee 技术及应用.北京航空航天大学出版社 20076江磊. 基于高效率 LED 驱动器及 ZigBee 网络的智能照明控制系统D. 复旦大学 20107卢宪友. 智能远程家电控制及安防系统的研究D. 曲阜师范大学 2010
