基于ZigBee与红外的家居监控系统

引言
    ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线连接。早在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术之一。ZigBee是一种无线连接技术的商业化命名，主要用于解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。而红外技术因兴起早、技术简单等优点先在家电遥控市场先入为主，当前家电遥控基本都采用红外。
    基于ZigBee与红外技术的无线家居监控系统，采用便捷、易扩展、低成本、低功耗方案实现家居的无线监控。本系统通过传感器监测节点将收集的信息传送到监视主机，监视主机可通过“网关-CC2430无线模块-学习型红外模块”发出命令控制当前的红外遥控的家电，也可通过“网关-CC2430无线模块”实现对未来ZigBee控制型家电的控制，从而以便捷、低成本的方式实现对家居的照明、温／湿度、安全和电器的智能监控。另外，只需将监视主机接入远程网络，该系统便能实现对家居的远程实时监控。
    本文重点介绍基于ZigBee技术的遥控家电与现行常用红外遥控家电的兼容和集成及对家居环境的实时监测等方面的研究，最终实现基于ZigBee网络的智能家居。针对ZigBee技术本身的低功耗、低成本和低时延、易扩展等优势，保证了信息传输和反馈的及时性，并提高了家电遥控设备系统扩展的整体性能。

1 系统架构
    系统组成如图1所示，监控系统主要包括监视节点、传感器检测节点、红外中转控制节点。监视节点能够建立并维护ZigBee网络，同时负责与监控主机的通信。一旦监控主机接入远程网络，该系统即可升级实现远程实时监控。传感器检测节点负责采集家庭光照、温度、空气质量等环境信息。红外中转控制节点可根据采集的信息通过红外线实时控制空调、灯光等传统红外型家电，而对于未来的ZigBee控制型家电，通过CC2430模块便可实现兼容控制。

2 硬件设计
2．1 CC2430无线收发模块
    CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案，它结合一个高性能2．4 GHz DSSS射频收发器核心和一颗小巧高效的8051控制器。图2为CC2430的一种典型应用电路。该电路使用了一个非平衡天线，这样可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341，L32 1，L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻50 Ω的要求。32 MHz的晶振电路由1个32 MHz的石英谐振器(XTA-L1)和2个电容(C191和C211)构成；32．768 kHz的晶振电路由1个32．768 kHz的石英谐振器(XTAL2)和2个电容(C441和C431)构成。

2．2 传感器监测节点
    监测节点的硬件结构采用CC2430作为微处理器，采用DSl8B20作为温度传感器、TPS851作为光敏传感器、TGS2600作为空气质量传感器探测家居环境情况。检测节点电路图设计如图3所示。

2．3 红外控制节点
    红外控制节点以CC2430作为微处理器，采用一体化的红外接收头接收红外信息，以24C64作为存储模块存储学习到得红外编码，考虑到红外发射的距离和有效性，电路红外发射管加入了2个三极管进行两级发大。红外收发部分电路设计如图4所示。

3 系统软件设计
3．1 监视节点
    监视节点既要完成ZigBee网络的建立和维护，包括新节点的加入和原有节点的退出管理；也要读取并处理监测节点的信息：读取温度、光敏、空气质量传感器的信息并作出相应的反应；还要发送控制命令到控制节点：根据通过传感器读取的居室信息控制相应的家电。监测节点的软件流程图如图5所示。

3．2 传感器监测节点
    传感器监测节点的软件设计主要是对温度传感器、光敏传感器、空气质量传感器的驱动函数的编写，限于篇幅在此不作过多阐述。
3．3 红外控制节点
    红外信号的接收和编码发射是红外控制节点的研究重点，处理思想是：不管遥控器编码是什么格式，把原遥控器所发出的信号进行精确测量并缓存，对缓存高低电平、时宽等特征参数进行分析并识别分类，对提取系统码及参数进行编号存储，当需要发射时，再读出储存器内系统码与特征参数并附加上用户的操作码发射出去。此方式的工作过程分以下几步完成：对原始发射信号波形采集到主控MCU的RAM中、分析信号、存储信号、发射信号。
    红外信号接收流程图如图6所示。接收信号波形的测量，需采用较高速主控制芯片，对原始信号的进行精密采集，同时采用了比较大的RAM作为信号的缓存。分析判别信号主要是对采集到的信号进行分析，比如对信号的发送周期、引导码电平时间、数据编码高低电平的时间、编码位数据等参数进行细致分析，判断出编码类别，提取出特征参数便于下一步的存储。

    红外信号发射流程图如图7所示。
    信号还原发射是根据编码类型查表率获得特征参数，再调用发射函数将存储的系统码附加上用户的操作码调制发射出去。

4 结语
    目前，市场上基于ZigBee技术的家居电器还只处在设计或者小范围生产的阶段，而红外遥控型家电占据着大部分市场。着眼于ZigBee本身的技术优势和未来发展趋势，结合当前占据主要市场的红外遥控型家电，本文作者研究开发了基于ZigBee与红外的无线家居监控系统。测试表明：该套系统操作性强，可靠性高，成本相对较低，具有非常广阔的市场应用前景。由于现有的技术研究尚不成熟，进行的只是一些初步的技术尝试，还有一些亟待完善的地方，比如，如何实现远距离的无遥控设备的控制，如何真正实现家居的智能化，如何在家庭中建立一个小型的智能控制局域网等，这样使得其功能更加完善。作者未将就这一部分进行更深入的探究。