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基于XBee無線技術的智能家居的應用研究

  • 全民強軍夢 | 2018-5-16 14:05 | 發布者: 訣然 | 查看: 89034| 評論: 0
  • [摘要] 1 引言 智能家居系統控制方式主要是有線網絡和無線網絡兩種方式。有線方式,顧名思義就是需要通過布電纜來組網。此種組網方式比較傳統,歷史悠久,技術發展相對成熟,可靠性高,但由于其需要實體布線所帶來的布線繁 ...
  • 1 引言

    智能家居系統控制方式主要是有線網絡和無線網絡兩種方式。有線方式,顧名思義就是需要通過布電纜來組網。此種組網方式比較傳統,歷史悠久,技術發展相對成熟,可靠性高,但由于其需要實體布線所帶來的布線繁瑣,線路容易損壞,可擴展性和可移動性差等不可避免的問題,有線網絡方式將逐漸被無線網絡方式取代。無線網絡則憑借著其良好可移動性和擴展性以及勿需額外布線和不受距離控制等優點,從而靈活流動地對可控點進行控制,這樣的特點更加符合家庭網絡的通信需求,因此基于無線網絡技術的智能家居系統越來越受到人們的關注。目前,無線網絡技術已經深入到人類生活的各個方面。無線方式種類繁多,應用較為廣泛的無線技術有藍牙、紅外技術、超寬帶等等。各種技術各有自身特點,當中以新興的ZigBee技術的出現填補了低速率端無線通信技術的空缺,能很好地解決智能家居系統的設計遇到的問題。ZigBee技術是一種幾乎能夠應用到所有行業的低數據率的無線通信技術。

    XBee無線技術是一款基于IEEE 802.15.4標準的無線協議且與ZigBee協議兼容的無線模塊。作為一種新興的無線通信技術,它是一種省電、遠距離、時延短、低功耗的數傳模塊,主要應用于智能家居,遠程控制,無線抄表,無線檢測等方面。本文主要以智能開/關窗簾為例,說明智能家居與普通家居不同在于不僅具有傳統普通家居的居住功能,更引人注意的由于采用了XBee無線技術,使得智能家居具有智慧能動性,優化升級生活方式。

    2 系統功能

    基于XBee無線技術的智能家居主要通過無線遙控模塊(XBee模塊)實現對家居環境的監控。本文的智能窗簾控制系統是按照點對點通信方式進行設計。利用專用軟件X-CTU配置任意一個XBee模塊為協調器coordinator API端的作為控制端,它實現的功能是發送數據給任意一個配置為終端router API端的XBee模塊,控制各個終端節點的工作,并通過RS232串口連接到上位機監控界面,從而實現對各個終端節點的遠程控制。本文主要實現智能窗簾的開與關,其系統功能框圖如圖1所示。

    圖1 系統功能框圖

    3 硬件設計

    智能窗簾硬件主要采用一個帶有RS232串口或USB接口轉接電平轉換器的工控機(平板電腦),Arduino控制器,繼電器,電動窗簾(含導軌)等。其中,通信的最關鍵部分就在于通信模塊的設計。本文的通信模塊的設計主要采用了由無線通信元件制造商MaxStream生產的一款mini型ZigBee收發模塊XBee Series 2模塊。 XBee模塊需兩塊,一塊是安裝在PC機(上位機)控制發送端,一塊是作為Arduino控制器的無線接收端,具體硬件需求清單見表1所示。

    表1硬件需求表

    3.1上位機控制發送端硬件設計

    上位機切換窗簾的三個開關狀態(打開窗簾、關閉窗簾、停止窗簾),按著一定的通信協議通過串口發送控制信息給與上位機USB相連的XBee模塊(協調端節點A),然后通過無線網絡發送控制信息到Arduino無線接收端的XBee模塊(終端節點B)。上位機主要實現切換、判斷和發送三個功能。協調端節點A端指令主要內容包括終端節點B模塊的地址,要發給終端節點B模塊的信息等內容。

    為了實現協調端節點A、終端節點B兩個XBee模塊互相發送消息。利用XBee USB適配器對XBee模塊進行配置,通過軟件X-CTU將其中的一個模塊節點配置成coordinator API(協調端節點)模式,其他的均配置成router API(終端節點)模式,確保這兩個節點在同一個網絡內。這樣兩個節點之間就能按照XBee的通信協議進行數據傳輸。

    3.2 Arduino控制器的無線接收端硬件設計

    Arduino控制器是一塊基于開始原始代碼的Simple i/o平臺,并且具有開發語言和開發環境都很簡單、易理解的特點。它使用高速的微處理控制器(ATMEGA328),可簡單地與各類傳感器、電子元件連接。

    Arduino主要性能描述:

    Ø Digital I/O 數字輸入/輸出端共0-13。

    Ø Analog I/O 模擬輸入/輸出端共0-5。

    Ø 輸入電壓:接上USB時無須外部供電或外部5V-9V直流電壓輸入。

    Ø 輸出電壓:5V直流電壓輸出和3.3V直流電壓輸出和外部電源輸入。

    利用Arduino控制器的上述特性,本文在接收端處將終端節點XBee模塊直接與Arduino控制器相連,當該XBee收到控制信息后,Arduino控制器則輸出5v直流電壓供后接繼電器吸合,從而控制智能窗簾開與關。

    圖2 Arduino控制器

    4 軟件設計

    針對基于XBee無線技術的智能窗簾功能,通過程序遠程控制實現該功能的軟件設計主要包括兩部分:一部分是代步智能機器人上平板電腦(上位機)中的無線發送模塊的程

    序,另一部分是遠程數據控制器Arduino(下位機)中的無線接收模塊的程序。前者采用面向對象的可視化語言VC++編寫,后者采用Arduino語言編寫。

    用戶通過操作上位機控制界面按鈕(打開窗簾、關閉窗簾、停止窗簾),遠程控制窗簾電機的正反向旋轉,實現對智能窗簾的開關操作。當鼠標移動到某個區域時,調用相應的控制指令,再通過控制系統實現遠程控制電動窗簾的運動。其中,窗簾開關到頭時,自動撤銷驅動信號,使窗簾運動停止。窗簾需要?吭谌我鉅顟B時,在窗簾運動中按界面停止窗簾按鈕即可。

    4.1上位機控制界面的軟件實現

    上位機和XBee(coordinator API端)之間的通信是通過串口通信來完成。

    首先使用ND命令查找網絡中的節點信息,發送的數據位:0x7E 00 04 08 09 4E 44 5C,確保協調端節點和終端節點在同一個網絡。

    其次,利用無線網絡XBee模塊之間的通信協議,coordinator API端向router API端發送自己定義的相關字符(以打開窗簾為例發送字符K),具體數據如表2所示。

    表2 發送數據

    按照以上的通信協議,上位機PC機上開發了一個基于Windows系統的人機交互的控制界面,用來相應鼠標的移動和點擊,主要負責與用戶進行交互,同時反饋家電狀態信息,控制界面如圖3所示。

    圖3 控制界面

    如圖3所示,智能窗簾的監控界面是由六個按鍵和兩個文本框構成。其中,通訊模式方框中的模式切換按鍵用來切換智能家居的控制方式是物聯網模式或是GSM模式,文本框中用來顯示當前的控制方式。智能開關方框中左邊兩個按鍵是控制電燈的工作狀態,右邊三個按鍵是控制窗簾的工作狀態。短信模式方框中是顯示短信的具體內容。本文主要介紹的是無線網絡物聯網模式下的智能窗簾的控制,因此GSM控制方式此處不做介紹。

    4.2無線接收端的軟件實現

    無線接收端主要由Arduino控制器、作為router API端的XBee模塊(終端節點)、繼電器和電動窗簾構成。當終端節點收到相應字符,Arduino控制器則輸出5v。具體軟件流程圖如圖4所示(以打開窗簾為例進行說明)。

    圖4下位機軟件模塊設計

    5 結束語

    本文完成了智能代步機器人智能家居監控系統的硬件設計和軟件設計,并進行了調試,驗證了所設計系統的有效性和實用性。其創新點在于將Xbee模塊引入傳統的家電通信控制,相對于以往的有線家電通信控制,省去了綜合布線難度,同時節約了成本,增加了可控點的靈活性。本文只給出了一個點對點的一個實例,按著這種思路,稍加擴展就可實現大面積智能家居。隨著無線通信技術的發展和成熟,無線通信在未來的智能家居技術中必然會得到越來越廣泛的應用,具有廣闊的應用前景。

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