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隨著科學技術的發展和人們對生活、工作環境要求的不斷提高，作為單純意義上生存居住空間的傳統住宅，已經不能滿足人們的需求，人們迫切需求的是一個集成了自動化和智能化的家用電器、網絡化的信息資源，具有高度安全性、便捷、舒適的生活環境。因此，新一代的家居設計理念應時而生，高效、便捷、智能便是新一代家居設計的追求。智能家居設備已經成為了消費者的一種強烈的消費需求，隨著現代科學技術的飛速發展，這一需求的實現已經不再是幻想。隨著電子技術的發展，傳統的家居產品已經逐漸與計算機、網絡通信等先進科技相結合，智能化的家居設備應運而生。同時，智能化的家居系統走進了人們的視野，同時得到了越來越多消費者的青睞，這更加推動了家居智能化的進程。

1設計方案

本設計主要針對一款智能窗進行了設計，通過將各種傳感器用ZigBee組網的方式將所有采集到的數據發送到MSP430F149為核心的控制板，在MSP430F149中對各種數據分別進行分析判斷，進而來控制步進電機來實現窗戶的開關。本設計采用的是現場總線控制系統，這種控制系統有很多優點：（1）在整個系統中，由現場各種傳感器與集成到控制板上的協調器等節點組成的整個ZigBee網絡之間的信號傳輸，以及顯示終端通過網關與ZigBee網絡之間的相互通信，使用的都是數字信號，這大大提高了信號傳輸的可靠性和精度；采用無線網絡通信，省去了現場布線帶來的安裝復雜，維護不方便，安全性能差等缺陷。（2）本設計把傳統的分布控制系統中輸入/輸出單元以及控制站的功能分散到了帶有傳感器的ZigBee網絡終端節點中。每個信息采集終端節點都帶有一個CC2530作為CPU，可獨立地進行數據的采集，并具有信息的診斷以及信息的校正、補償等功能，并靠ZigBee網絡協議把它們連接在一起統籌工作。這些終端節點的功能單一，每個終端節點都只對一種數據信息進行采集。所以，當整個系統中的任何一個終端節點出現問題影響到的僅僅是其本身，整個系統不會因此而癱瘓。這使得現場設備的自治性加強，使系統性能全面提高，系統變得更加可靠。（3）在本設計中我們將不同廠商生產的各種傳感器以及核心控制器通過ZigBee組網的方式組成了一個統一的系統后，便可實現這些產品的相互操作。（4）在本設計中采用的是ZigBee模塊，MSP430，Wi模塊三者構成的網關來連接ZigBee通信網絡和Internet通信網絡的。通過網關，ZigBee網絡的終端節點可以將采集的數據信息傳送的Web服務器，用戶可以通過Internet網絡瀏覽系統的終端顯示界面；同時用戶也可以Internet網絡操控系統的終端顯示界面上的一些控制按鈕，對ZigBee網絡的終端節點下達一些控制指令。（5）本設計中采用的是ZigBee網絡通信和結構，整個網絡是由協調器、終端節點構成星形拓撲結構網絡，這種拓撲結構可以將整個家庭的空間連結成一個統一的整體。傳輸媒介和網絡拓撲結構的多樣性對實現整個系統的無線化、網絡化很有幫助，并且這一特點給整個智能控制系統的施工帶來很大的方便。（6）根據自己的需求用戶可以配置不同功能的終端節點，來滿足自己對整個系統性能的要求。并且用戶可以根據不同時期，不同場合，隨時通過改變終端節點的功能，來改變整個控制系統的性能指標。

2硬件系統設計

系統硬件結構框圖如圖1所示，包括MSP430F149與各模塊及遙控器接口電路、ZigBee模塊和Wi模塊。

2.1控制器控制器選用MSP430F149，其主要任務是通過串口通信方式讀取ZigBee協調器數據，并把數據在進行分析判斷，然后將數據按類別存到FLASH芯片中的各自相應的存儲區域，然后再從FLASH芯片中讀取出數據通過串口通信的方式把數據傳送給Wi模塊，經Wi模塊將數據傳送到Web服務器。

2.2ZigBee終端節點模塊電路設計CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案，結合了ZigBee協議棧，提供了一個完整并且強大的ZigBee解決方案。

2.3網關的設計網關的設計主要由三部分構成：ZigBee網絡協調器、MSP430F149、Wi模塊。ZigBee協調器采用CC2530芯片，主要作用是發出建網命令組建ZigBee網絡，給網絡中各個節點分配網絡地址，它是整個ZigBee網絡的數據結合點。現場ZigBee網絡的終端節點進行采集數據，然后把采集到的信息都傳送給協調器節點，協調器并不把數據進行存儲，所以要把數據實時傳送給MSP430F149。

2.4傳感器選擇該系統選用2個溫濕度傳感器、2個光照強度傳感器、1個風雨傳感器、1個紅外傳感器、1個煤氣探測器、1個煙感探測器、2個限位開關。其中室外安裝1個溫濕度傳感器、1個光照強度傳感器、1個風雨傳感器，2個限位開關分別安裝在窗門機構和窗簾機構上，其他傳感器安裝在室內相關的地方。溫濕度傳感器：本系統采用數字式溫濕度傳感器DHT11，濕度測量范圍為20%~90%，溫度測量范圍為0~50℃。光照強度傳感器：采用NH207照度傳感器，輸出為0~2V電壓信號或4~20mA電流信號，量程可在0~2Klx、0~20Klx與0~200Klx之間自動切換。風雨傳感器：技術參數為，電源電壓DC24V，風感3s響應，雨感25s響應。風感、雨感只在刮風或下雨達到所設定的風速或雨量時才發出感應信號給CPU。限位開關：選用非接觸式限位開關，本系統選用光電傳感器ST178來檢測窗門機構和窗簾機構的運動位置。紅外傳感器：在本系統中紅外傳感器主要用于防盜作用，采用被動紅外線探測器。一旦有人體紅外線輻射進來，經光學系統聚焦就使熱釋電器件產生突變電信號，而發出警報。煤氣泄漏檢測我們采用的是MQ-2可燃氣體傳感器。該傳感器適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的檢測，這款傳感器可通過對與其集成在一起的比較器上的電位器進行調節來改變它對可燃氣體以及煙霧的敏感性，當室內空氣中可燃氣體或煙霧的含量超過它的敏感閾值的時候，它輸出的信號將發生由高電平到低電平的跳變。

2.5開窗機構設計系統選用兩臺步進電機分別驅動窗門機構、窗簾開關機構運行，實現所設計智能窗的運動功能。步進電機的驅動器，選擇的是A3977。

2.6遙控器選用系統選用CDTFl000．12A遙控器與CD—JSCONR一12PC無線接收控制器。該遙控器用電池供電，供電電壓DC12V，具有12路遙控信號。通過無線電磁波傳播信號，采集30m以內的控制信號，通過中間繼電器的轉換，把該信號輸入到CPU，完成對步進電機的控制。

3軟件系統設計

軟件系統設計包括ZigBee組網、數據信息采集及處理、Wi模塊的配置、顯示終端配置幾大部分。圖2與圖3為數據信息采集及處理流程圖。組建一個完整的ZigBee網絡有兩個步驟：一是網絡初始化，另一步是節點（路由器節點或終端節點）加入網絡。Wi模塊的配置。在本設計中，將該模塊時配置成客戶端模式，選擇串口轉Wi中的無線網卡模式，網絡協議選擇TCP客戶端，設置需要連接的TCP服務器的IP、端口號，與服務器連接。本設計的顯示終端采用的是網站的網頁形式，MSP430F149將數據傳送到Web服務器，服務器再將數據調出并在網頁上顯示。監控網站主要由三部分組成：前臺服務器界面、后臺Windows服務、數據庫。本設計中各種情況的處理是通過中斷完成的，程序中各中斷的優先級由高到低依次為：限位開關中斷、遙控中斷、按鍵開關中斷、入侵中斷、燃氣泄漏中斷、風雨中斷、溫濕度中斷和光照中斷。

4調試結果分析

設定正常舒適溫度為25℃，濕度為25%，然后人為升高室內溫度和溫度，觀察智能窗的動作。當室內溫度或濕度超過設定值時，智能窗會執行開窗動作。當窗戶到達右側限位開關時，窗戶停止。溫濕度正常及過高時，終端顯示分別如圖4與圖5所示。采用釋放可燃氣模擬家庭內部煤氣泄漏的狀況的發生，經過測試，當窗戶初始狀態為打開時，釋放可燃氣體后，步進電機帶動使窗戶緩緩打開，當窗戶到達右側限位開關處，窗戶停止。從終端顯示界面上看到煤氣狀態信息變為泄漏，窗戶的狀態為打開。若窗戶的初始狀態為完全打開，當釋放可燃氣體后，步進電機未動作，然而終端顯示界面上煤氣狀態信息變為了泄漏，窗戶的狀態為打開。終端顯示界面如圖6所示。當模擬入侵時，若窗戶初始狀態為關閉，則步進電機不會動作。若窗戶初始狀態為完全打開或半打開，則步進電機帶動窗戶緩緩關閉，當到達左側限位開關處步進電機停止動作，窗戶停止。終端顯示界面同時也會發出報警，并且盜情狀態信息欄中信息狀態變為異常，窗戶狀態為關閉。終端顯示界面如圖7所示。

5結束語

本設計實現了ZigBee網絡的組網，實現了在風雨天氣、煤氣泄漏、有人盜竊、遙控等條件下智能窗的智能化控制，以及室內溫濕度的采集，并在終端顯示界面顯示天氣狀況、煤氣狀況、盜情狀況、窗戶狀態以及溫濕度等信息，并能利用智能手機等設備通過移動網絡來瀏覽終端界面，查看家庭內部的一些信息，隨時了解家庭內部環境的變化，并通過終端控制窗戶窗簾的開啟與關閉。

作者：程緒長 單位：山東理工職業學院