0 引 言
在信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，嵌入式設(shè)備已經(jīng)深入到了人類生活的各個(gè)方面，智能設(shè)備更是成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?/span>。隨著能源的日漸消耗，環(huán)保節(jié)能刻不容緩。
因此，在現(xiàn)在和未來的家居生活環(huán)境中，我們更需要一種高效節(jié)能的、智能的、綠色環(huán)保的智能家居安防系統(tǒng)。
1 智能家居安防系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
圖1 是智能家居安防系統(tǒng)的整體功能框圖和設(shè)計(jì)方案。
圖1 系統(tǒng)整體功能框圖和整體設(shè)計(jì)方案
從圖中可以看出，本系統(tǒng)可以分為3 個(gè)部分，首先是底層的智能家居安防網(wǎng)絡(luò)，這是整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分，可以監(jiān)測溫度、光強(qiáng)、煤氣、人體紅外、門窗、燈光控制等。在硬件部分的基礎(chǔ)上市安防信息監(jiān)控管理和Android 智能終端監(jiān)控，這是整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分，主要是對從底層收集到的信息做出處理并給出控制信號(hào)。本文主要研究底層的硬件設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
目前，無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下發(fā)展迅猛，比如紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、近場通訊技術(shù)等，通過對這幾種技術(shù)的研究與比較，本文最終確定選用ZigBee 數(shù)傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)本文的硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，每一個(gè)ZigBee模塊節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的核心部分，這部分必須要滿足ZigBee 協(xié)議規(guī)范。另一部分是實(shí)現(xiàn)供電、復(fù)位的底板。
所有硬件的核心就是整個(gè)硬件部分的邏輯圖如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)硬件邏輯連接圖
2.1 基于CC2530的ZigBee模塊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
美國德州儀器TI 生產(chǎn)的CC2530 是一種SoC 芯片，基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 協(xié)議規(guī)范。圖3 所示是CC2530的射頻模塊電路，同時(shí)，TI 公司還專門為使用CC2530 芯片的用戶提供了整套的開發(fā)工具和Z-stack 協(xié)議棧，通過這個(gè)專用工具，用戶可以節(jié)約大量的開發(fā)時(shí)間并且可以按照自己的想法開發(fā)自己的產(chǎn)品。CC2530 芯片本身就是一個(gè)非常成熟的芯片，同時(shí)功能也非常強(qiáng)大，用戶只需要給其接入產(chǎn)品需要的外圍器件就可以滿足用戶的開發(fā)要求。本文為了使CC2530 模塊能夠與傳感器相連接，采用排針將CC2530 的I/O口引出來，如圖3 中的P1 和P2。
圖3 CC2530 射頻模塊電路
2.2 傳感器底板的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)傳感器底板主要包括電源、調(diào)試接口、通信接口以及和各個(gè)傳感器相連接的接口。其傳感器地板電路原理圖如圖4 所示。
圖4 傳感器地板電路圖
從圖4 電路圖中可以看出，本設(shè)計(jì)中的傳感器底板包括以下幾個(gè)主要部分：
（1）如圖所示，P1 和P2 是兩個(gè)排母，主要用于連接底板和CC2530 模塊的I/O 口。而P3 和P4 則是底板上將I/O 口和外部傳感器和LED 燈以及各個(gè)按鍵相連接的排針。這樣做可以有效地避免干擾射頻電路。
（2）本設(shè)計(jì)可以通過兩種方式供電：一種是電源供電，另外一種是電池供電。同時(shí)采用AMS1117 的穩(wěn)壓芯片以及10 μF和0.1 μF 的電容，主要是為了解決外部電壓不穩(wěn)定同時(shí)達(dá)不到3.3 V 的問題。
（3）JTAG 調(diào)試接口選用的是P21 作為芯片的調(diào)試數(shù)據(jù)線，P22 作為調(diào)試時(shí)鐘信號(hào)線，再加上Reset 信號(hào)線，電源和地線就可以完成芯片的在線調(diào)試了。
（4）在實(shí)現(xiàn)RS232 串口電路的設(shè)計(jì)中，可以利用CH2430芯片將串口轉(zhuǎn)成USB 口。圖5 所示是其實(shí)物圖。
圖5 ZigBee 節(jié)點(diǎn)底板和CC2530 射頻模塊實(shí)物圖
2.3 系統(tǒng)中各模塊的選型和設(shè)計(jì)
在本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，主要完成對溫度、氣體、光強(qiáng)、人體感應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)采集，以及遠(yuǎn)程控制燈的開關(guān)的功能，所以在傳感器節(jié)點(diǎn)的模塊上，還需要溫度模塊、氣體模塊、光敏模塊，以及人體感應(yīng)模塊等。下面就對各個(gè)模塊的功能進(jìn)行簡單的介紹（以便之后選型）：
（1）人體紅外傳感器模塊：本文采用的是TSKS5400S 紅外傳感器。此款傳感器正常的工作電壓是3~10 V，最小輸出電壓為3 V，同時(shí)本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電壓是3.3 V，所以不需要對電壓進(jìn)行變化。除此之外，本文選擇了BIS0001 紅外傳感信號(hào)處理器對TSKS5400S 紅外傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。
（2）煙感傳感器模塊：煙感傳感器的種類很多，本文選擇了MQ-2Q 氣體傳感器。其具有探測范圍廣、靈敏度高、穩(wěn)定性優(yōu)異、壽命長等特點(diǎn)。
（3）光敏傳感器模塊：本文設(shè)計(jì)中選擇的光敏電阻就是眾多光敏傳感器中的主要的一款傳感器。光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，他不但可以對光進(jìn)行探測，還可以探測到許多非電量。
（4）溫度傳感器模塊：本設(shè)計(jì)中選擇的是DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)作為溫度傳感器。DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS 公司生產(chǎn)的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點(diǎn)。
（5）燈控模塊：本設(shè)計(jì)中的燈控模塊主要是通過將繼電器安裝燈的開關(guān)處，通過控制繼電器的通斷來控制燈的亮滅。
2.4 系統(tǒng)的整體架構(gòu)
圖6 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖
圖6 所示是其系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。通過對ZigBee模塊技術(shù)的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的分析，結(jié)合智能家居安防的特點(diǎn)，最終確定星型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)。圖中有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，還要對終端節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和監(jiān)測。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，主要的功能就是進(jìn)行溫度、氣體、光強(qiáng)、人體感應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。
3 結(jié) 語
伴隨著快節(jié)奏的工作生活，大量的信息覆蓋了人們生活的方方面面，一個(gè)能夠幫助人們管理家庭事務(wù)信息并分擔(dān)家庭事務(wù)的智能化環(huán)境更加適應(yīng)發(fā)展潮流。而在智能家居中，人們更關(guān)心的就是智能家居安防系統(tǒng)。本文利用ZigBee無線模塊，實(shí)現(xiàn)了溫度、氣體、光強(qiáng)、人體感應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、給出了硬件底板的設(shè)計(jì)方法以及各個(gè)傳感器的選型，最后給出了智能家居安防系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)圖。