第２６卷第６期 ２０１３年１１月 唐山学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ＶｏＩ．２６ ＮＯ．６ ＮＯＶ．２０１３ 基于ＺｉｇＢｅｅ网络的智能家居终端控制器的设计 赵庆平，姜恩华 （淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北２３５０００） 摘要：主要介绍了智能家居终端控制器的整体工作模式及其软件和硬件的设计，并通过实验室模拟 家居环境的测试，验证了该终端控制器能够很好地融入到智能家居系统中，不仅能将采集的周围环 境信息，如光照、温湿度等数据上传至网络，而且通过网络能对家用电器设备进行实时控制，实现家 居控制的智能化。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ网络；智能家居；终端控制器 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—３４９Ｘ（２０１３）０６—００４２—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｈｏｍｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＺＨＡＯ Ｑｉｎｇ—ｐｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｅｎ—ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｉｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｉｂｅｉ ２３５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｍｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｈｏｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｗｅｌｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｐｔｕｒｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ｕｐｌｏａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄａｔａ ａｂｏｕｔ ｌｉｇｈｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｒｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｈｏｕｓｅ— ｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ，ｔｈｕｓ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｍｅ ｆｕｒｎｉｓｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｍｅ；ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 在科技高速发展的今天，人们的生活水平越来越高，对 家居环境的追求不再仅限于豪华舒适，而是在此基础上将网 络化、智能化、低能耗等概念融人其中，这已逐步成为了当今 家居环境的发展趋势。本文在此背景下设计了一种基于 ＺｉｇＢｅｅ网络的智能家居终端控制器，它能够通过传感器采集 环境信息，上传至嵌入式智能家居网关，同时也能从网关接 收命令实现对被控对象的控制，节点之间通过最优路径算法 实现自组织，从而组成一个无线传感器网络。 图１智能家居整体框图 功能的终端控制节点需要完成以下功能：首先，节点要建立 一ｌ 智能家居终端控制器整体设计方案 智能家居整体框图如图１所示，图中右侧实线框中的部 个ＺｉｇＢｅｅ网络，确定网络的拓扑、频段与标识号，并允许 分即为本设计需要实现的部分。智能家居网关与ＺｉｇＢｅｅ协 调器充当外部网络与ＺｉｇＢｅｅ网络连接的桥梁，各种手机或 个人计算机通过智能家居网关和ＺｉｇＢｅｅ协调器向ＺｉｇＢｅｅ终 具有相同频段与标识号的路由或终端节点加入网络。其次， 对于路由或终端节点通过无线网络传递上来的信息要通过 串口发送到智能家居网关。最后，与接收数据对应，要能够 通过串口接收智能家居网关的控制命令，并将命令通过无线 网络发送至路由或终端设备。 充当路由节点或终端节点的设备都能完成如下功能：能 够采集环境变量信息，并将信息通过无线网络传递给协调 端节点发送命令，或者从终端节点接收环境信息。ＺｉｇＢｅｅ网 络内部采用网状拓扑，除了协调器外其他任何节点均可以携 带执行模块或数据采集模块Ｅ１ ７］。 作为智能家居系统中的最基本的组成部分，充当协调器 收稿日期：２０１３—０７—２Ｏ 基金项目：国家自然科学基金（４１２７５０２７）；安徽高校省级自然科学研究项目（ＫＪ２０１３Ｚ２２８） 作者简介：赵庆平（１９７２一），男，辽宁阜新人，讲师，硕士，主要从事电子技术研究。 第６期 赵庆平，姜恩华：基于ＺｉｇＢｅｅ网络的智能家居终端控制器的设计 ・ ４３ ・ 器，同时能够接收协调器发送过来的命令，并在解析命令后 执行相应的动作。路由节点比终端节点还要多一些功能，比 如协助自己的子节点进行通讯等。 ２硬件系统设计 ２．１ 温湿度传感器 本文采用市面上比较常见的一种温湿度集成的传感器 ＳＨＴ１０，这种传感器体积小，功耗低，而且芯片内部还集成了 １４位的Ａ／Ｄ转换器，在精度要求不高的场合还可以转换为 １２位或８位精度，完全适用于智能家居的应用场合。集成的 温度和相对湿度传感器以及相应的信号处理电路，可以直接 以数字的形式输出，虽然成本增加，但是系统的集成度更高， 这可以通过批量生产降低成本。图２为温湿度传感器电 路图。 ｖｃｃ３ ３ｖｈ Ｍ ｒ＿— Ｌ ｕ５ ，ｌ。ｌＩｌ １ ＧＮＤ 、－ ＤＡＴＡ ＳＣＫ …Ｊ’。’ｌ、ｒＩ ４ ＶＤＤ ＳＩＴＩ＇１Ｘ 图２温湿度传感器电路图 ２．２ 光照强度传感器 利用ＰＩＮ管的光伏效应，将光照强度转换为电压信号。 在光电二极管的后面设计了一个同相比例放大电路， ＴＬＶ２３７０是一款普通的单电源运放，由Ｒ２４组成反馈电路， 增益Ｖｏ一（Ｒ２４＋Ｒ２３）＊Ⅵ／Ｒ２３，转换后的电压送入 ＣＣ２４３０的Ａ／Ｄ转换引脚进行处理。这里的Ｒ２４为２０ ｋｎ， Ｒ２３为１０ ｋＱ，所以增益为３。图３为光照强度检测电路图。 图３光照强度检测电路图 ２．３外部电源供电模块 在某些特定的对电源要求不高的家居环境中，ＺｉｇＢｅｅ节 点的能耗不再受限制，这时节点不需要电池供电，而是直流 ——————— ＝彳１Ｔ＿］ ———＿ｌ一一 ３软件系统设计 ０＾Ｔ＾ ＳＣＫ 图５ ＳＨＴ１０启动时序 ３．２光照传感器 光照的数据需要通过ＣＣ２４３０片上的Ａ／Ｄ进行采集，程 序流程如图６（２）所示，由于ＣＣ２４３０的引脚为动态分配，所 以首先要为Ａ／Ｄ分配引脚，然后设定分辨率，启动转换后等 待转换完成标志位置位。转换后的数据需要进行移位处理， 以及计算后才能返回给消息处理函数进行打包发送。 ４测试结果 ４．１ ＺｉｇＢｅｅ网络的实现 利用奥尔斯公司提供的网络拓扑监控环境，只要ＺｉｇＢｅｅ 第６期 赵庆平，姜恩华：基于ＺｉｇＢｅｅ网络的智能家居终端控制器的设计 ・ ４５ ・ （上接第４１页） 了模态分析和优化，优化前后主轴的体积减小了０．０１４× １０ Ｉｎ ，从而节约了材料，降低了成本，应力、应变也显著降 低，为锯片对磨机床的开发提供了理论依据。 参考文献： ／ ｉｊｌ ＼Ｉ ／ 二 ［１］ 石琴，卢利平．基于有限元分析的发动机罩拓扑优化设 计［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（６）：３１—３３． ‘７口５ ／１』 。 。，１｝… …ｌ一 ± ２¨…● … ５甜一Ｅ２］ 陈新，何杰．基于动力学特征的磨床床身结构优化布局 设计［Ｊ］．制造技术与机床，２００１（２）：２１—２２． ［３］李雀屏，张玉珠，韩清凯．离心式压缩机机壳强度分析 ２１３Ｌ６ 图１０ Ｌ６与Ｖ的关系曲线 与结构优化设计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术， ２ｏｏ９（２）：４—７． ［４］郭俊康，方荣，洪军，等．基于有限元分析的拉刀磨床床 身结构优化设计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术， ２ｏ１１（Ｉ）：９—１２． ［５］李晓燕，钱伟，韩红俊，等．平面磨床床身的三维建模及 有限元分析ＥＪ］．机械设计与制造工程，２００２，１９（３）：１７ ２Ｏ． ［６］覃文浩，左正兴，刘玉桐．机床整机的动态特性分析 ＥＪ］．机械设计，２０００（１０）：２４—２６． ［７］ 杜官将，李东波．基于ＡＮＳＹＳ的机床主轴结构优化设 一１ 图ｌ２优化后应力云图 计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１１（１２）：２２ —２４． Ｅ８］林利红，陈小安，张良，等．基于有限元法的数控机床主 轴部件动态分析［Ｊ］．机械强度，２００９，３ｌ（４）：６２９ ６３３． ［９］何伟，何邦贵．主轴系统结构设计参数对其动力特性影 响研究ＥＪ］．精密制造及其自动化，２００２（１）：１８—２１． ［１Ｏ］赵月娥，文怀兴．车床主轴系统的优化设计［Ｊ］．陕西 科技大学学报，２Ｏｉ１（４）：４７—４９． （责任编校：李高峰） ４ 结论 本文对锯片对磨机床主轴系统进行了三维造型，正确反 映了主轴部件的装配关系。并利用ＡＮＳＹＳ软件对主轴进行