基于ZigBee的智能窗控制系統設計

摘要：為了達到窗體智能監控及遠程控制的目的，設計引入了ZigBee無線通訊網絡作為家庭的內部網絡，并將多種傳感器和窗體控制器連接到ZigBee網絡中。通過GSM模塊、ZigBee模塊實現對窗體的手機遠程控制、入侵報警、風雨報警以及煙霧報警等多種控制手段。給出了系統的軟硬件實現，并對傳感器選型以及各個功能的具體實現進行了詳細的說明。實驗表明了該系統在家庭應用中的可行性。

隨著我國經濟的飛速發展，人民物質生活水平不斷提高，智能控制系統已經成為了我們生活不可分割的一部分，人們不僅需要居住環境舒適、溫馨，還要求其智能、安全?？梢哉f，智能型的家庭安全系統已經開始逐漸地深入到我們生活的方方面面。早在21世紀初，國內就有關于智能窗控制系統的研究，使窗戶具有一定的智能性，如下雨則自動關窗、室內有害氣體超標則自動開窗、有盜賊入內則自動報警等，人們還可以通過控制鍵盤來直接控制窗戶的開關，給人們的生活帶來了諸多方便。然而隨著電子技術的進一步完善，這種智能窗的功能已略顯單薄，本文研究的智能窗控制系統基于ZigBee無線網絡技術，是智能家居系統中的一個子模塊，其實用性較目前市場上的大多數智能窗戶得到極大的提升。系統中加入了ZigBee無線網絡技術，實現窗體與中心控制模塊、中心控制模塊與傳感器間的無線通信;加入的GSM模塊建立起了“人機對話”系統，實現了戶主對窗戶的遠程監控;中心控制模塊還能夠根據傳感器的信息或戶主的手機短信指令作出判斷，實現對窗體進行控制，使窗戶真正“智能”起來。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

智能窗系統主要由中心控制模塊、傳感器模塊、GSM模塊、窗戶控制模塊組成;所設計系統自身能夠通過傳感器檢測外部環境變化來控制窗戶的開關;在窗戶開啟或關閉時，GSM模塊將當前窗戶的狀態以及開啟或關閉的原因以手機短信的方式反饋給戶主;戶主經判斷后可以發送手機短信指令控制窗戶的開關或采取相應的措施;另外，戶主也可在室內通過室內遙控器實現對窗戶的開關的進行控制，系統的結構如圖1所示。

1.2 系統組成

系統主要包括以下幾個模塊組成：

1)中心控制模塊。采用飛思卡爾公司生產的高性能、低功耗MCU MC9S08GB60實現。主要負責接收傳感器、紅外模塊等發送的外部環境信息，對外部環境信息進行判斷后，對窗體發送相應的動作指令，同時觸發GSM模塊，向戶主發送手機短信報告當前窗戶的狀態。

2)傳感器模塊。溫度傳感器和濕度傳感器分別采用美國Dallas公司DS18B20數字式溫度傳感器及國產DHT11數字式溫濕度傳感器。兩種傳感器均采用單總線方式與MC9S08GB60通信，能有效減少對I/O口的占用數量。通過濕度傳感器監測，當室外下雨時，通過控制電機使窗戶及時關閉;通過氣敏傳感器監測，當室內可燃性氣體或煙霧超過特定標準時，窗戶自動打開通風;通過溫度傳感器監測，當室內的溫度超過預設值時能開窗換氣，調節室內溫度，這一動作的前提為當室外沒有下雨或盜情時，本系統采用對CO氣體、天然氣、液化氣、城市煤氣和煙霧有較好靈敏度的MQ-2氣體煙霧傳感器。

3)紅外傳感器模塊。紅外傳感器采用的是HC-SR501人體紅外傳感器模塊;當窗戶外有人接近，阻斷了紅外傳感器的發射接收通路時，窗戶會立刻關閉并發出聲音報警，同時將這一情況以手機短信的形式發送給戶主，起到防盜報警作用。

4)GSM模塊。采用西門子公司生產的TC35i模塊，工作頻段為雙頻GSM900MH/GSM1800MHz，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。GSM通過串行總線RS232與MC9S08GB60連接。在執行開啟和關閉窗戶的動作時，中心控制模塊通過GSM模塊向戶主發送手機短信告知戶主窗戶狀態及動作原因。戶主也可通過手機短信的方式遠程控制窗戶的開啟和關閉。

5)ZigBee模塊。采用飛思卡爾MC13213模塊實現，內部集成了MC13192射頻模塊和一個飛思卡爾S08系列低功耗MCU。ZigBee模塊可配置為串口通信方式。其中，傳感器與中心控制模塊、中心控制模塊與窗戶之間通過ZigBee模塊進行無線通訊。

6)窗戶控制模塊。本系統采用的是國產森蘭HL/LG型電動螺桿式開窗器，其工作電壓為直流24 V或交流220 V，推拉力量為1 000～2 000 N，推動速度為5～10 mm/s，行程距離為400～1 000 mm。該開窗器推桿為不銹鋼材質，擁有平滑，暢順的強力輸出，運行穩定，并具有過載保護裝置。

2 系統軟件設計

1)初始化程序。包括MC9S08GB60單片機的初始化，GSM模塊的初始化，定時器/計數器初始化以及開中斷。

2)濕度傳感器。采用的濕度傳感器是DHT11，MC9S08GB60與其之間的通訊采用單總線數據格式，一次通訊時間4 ms左右，數據分小數部分和整數部分。一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。MC9S08GB60發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40 bit的數據，并觸發一次信號采集。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數據后轉換到低速模式。

3)溫度傳感器。MC9S08GB60d對DS18B20的寫操作指令為：數據線先置低電平“0”;延時確定的時間為15 μs;按從低位到高位的順序發送字節(一次只發送一位);延時時間為45μs;將數據線拉到高電平;所有的字節全部發送完后將數據線拉高。MC9S08GB60d對DS18B20的讀操作指令為：數據線拉高“1”;延時2μs;將數據線拉低“0”;延時15μs;將數據線拉高“1”;延時15μs;讀數據線的狀態得到1個狀態位，并進行數據處理;延時30μs。

4)氣敏傳感器。MC9S08GB60對MQ-2的連接為使用MC9S08GB60的模數轉換接口，MQ-2的模擬量輸出為0-5 V，氣體濃度越高電壓輸出越高。可以通過定時器定時讀取電壓值并與設計好的門限電壓比較來判定是否發生了漏氣現象。

5)MC9S08GB60與GSM的軟件接口其實就是單片機通過RS232與GSM短信息有關的AT指令控制手機的控制技術，是一種操作控制GSM模塊的軟件協議的集合，通過編寫程序軟件利用串口收發AT指令達到控制GSM模塊收發短信的目的。AT指令控制短消息發送有兩種常用模式，即TEXT模式、PDU模式。PDU模式可以采用unicode編碼發送英文、漢字。本系統設計采用GSM模塊的PDU模式進行短消息的收發。

系統軟件流程圖如圖2所示。

3 結束語

文中重點討論了智能窗系統結構設計、軟件設計，在經過調試后，基于單片機、ZigBee模塊、GSM模塊、溫濕度傳感器、紅外傳感器等模塊設計的智能窗系統很好地完成了設計要求。本設計方案兼顧通用性、擴展性和性價比，還可以推廣應用到大部分家用電器上，比如電燈、洗衣機、電冰箱等的遠程控制上，具有廣闊的技術應用與產業化前景。