基于ZigBee的智能窗控制系统设计

摘要：为了达到窗体智能监控及远程控制的目的，设计引入了ZigBee无线通讯网络作为家庭的内部网络，并将多种传感器和窗体控制器连接到ZigBee网络中。通过GSM模块、ZigBee模块实现对窗体的手机远程控制、入侵报警、风雨报警以及烟雾报警等多种控制手段。给出了系统的软硬件实现，并对传感器选型以及各个功能的具体实现进行了详细的说明。实验表明了该系统在家庭应用中的可行性。

随着我国经济的飞速发展，人民物质生活水平不断提高，智能控制系统已经成为了我们生活不可分割的一部分，人们不仅需要居住环境舒适、温馨，还要求其智能、安全。可以说，智能型的家庭安全系统已经开始逐渐地深入到我们生活的方方面面。早在21世纪初，国内就有关于智能窗控制系统的研究，使窗户具有一定的智能性，如下雨则自动关窗、室内有害气体超标则自动开窗、有盗贼入内则自动报警等，人们还可以通过控制键盘来直接控制窗户的开关，给人们的生活带来了诸多方便。然而随着电子技术的进一步完善，这种智能窗的功能已略显单薄，本文研究的智能窗控制系统基于ZigBee无线网络技术，是智能家居系统中的一个子模块，其实用性较目前市场上的大多数智能窗户得到极大的提升。系统中加入了ZigBee无线网络技术，实现窗体与中心控制模块、中心控制模块与传感器间的无线通信;加入的GSM模块建立起了“人机对话”系统，实现了户主对窗户的远程监控;中心控制模块还能够根据传感器的信息或户主的手机短信指令作出判断，实现对窗体进行控制，使窗户真正“智能”起来。

1 系统硬件设计

1.1 系统结构

智能窗系统主要由中心控制模块、传感器模块、GSM模块、窗户控制模块组成;所设计系统自身能够通过传感器检测外部环境变化来控制窗户的开关;在窗户开启或关闭时，GSM模块将当前窗户的状态以及开启或关闭的原因以手机短信的方式反馈给户主;户主经判断后可以发送手机短信指令控制窗户的开关或采取相应的措施;另外，户主也可在室内通过室内遥控器实现对窗户的开关的进行控制，系统的结构如图1所示。

1.2 系统组成

系统主要包括以下几个模块组成：

1)中心控制模块。采用飞思卡尔公司生产的高性能、低功耗MCU MC9S08GB60实现。主要负责接收传感器、红外模块等发送的外部环境信息，对外部环境信息进行判断后，对窗体发送相应的动作指令，同时触发GSM模块，向户主发送手机短信报告当前窗户的状态。

2)传感器模块。温度传感器和湿度传感器分别采用美国Dallas公司DS18B20数字式温度传感器及国产DHT11数字式温湿度传感器。两种传感器均采用单总线方式与MC9S08GB60通信，能有效减少对I/O口的占用数量。通过湿度传感器监测，当室外下雨时，通过控制电机使窗户及时关闭;通过气敏传感器监测，当室内可燃性气体或烟雾超过特定标准时，窗户自动打开通风;通过温度传感器监测，当室内的温度超过预设值时能开窗换气，调节室内温度，这一动作的前提为当室外没有下雨或盗情时，本系统采用对CO气体、天然气、液化气、城市煤气和烟雾有较好灵敏度的MQ-2气体烟雾传感器。

3)红外传感器模块。红外传感器采用的是HC-SR501人体红外传感器模块;当窗户外有人接近，阻断了红外传感器的发射接收通路时，窗户会立刻关闭并发出声音报警，同时将这一情况以手机短信的形式发送给户主，起到防盗报警作用。

4)GSM模块。采用西门子公司生产的TC35i模块，工作频段为双频GSM900MH/GSM1800MHz，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。GSM通过串行总线RS232与MC9S08GB60连接。在执行开启和关闭窗户的动作时，中心控制模块通过GSM模块向户主发送手机短信告知户主窗户状态及动作原因。户主也可通过手机短信的方式远程控制窗户的开启和关闭。

5)ZigBee模块。采用飞思卡尔MC13213模块实现，内部集成了MC13192射频模块和一个飞思卡尔S08系列低功耗MCU。ZigBee模块可配置为串口通信方式。其中，传感器与中心控制模块、中心控制模块与窗户之间通过ZigBee模块进行无线通讯。

6)窗户控制模块。本系统采用的是国产森兰HL/LG型电动螺杆式开窗器，其工作电压为直流24 V或交流220 V，推拉力量为1 000～2 000 N，推动速度为5～10 mm/s，行程距离为400～1 000 mm。该开窗器推杆为不锈钢材质，拥有平滑，畅顺的强力输出，运行稳定，并具有过载保护装置。

2 系统软件设计

1)初始化程序。包括MC9S08GB60单片机的初始化，GSM模块的初始化，定时器/计数器初始化以及开中断。

2)湿度传感器。采用的湿度传感器是DHT11，MC9S08GB60与其之间的通讯采用单总线数据格式，一次通讯时间4 ms左右，数据分小数部分和整数部分。一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。MC9S08GB60发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40 bit的数据，并触发一次信号采集。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。

3)温度传感器。MC9S08GB60d对DS18B20的写操作指令为：数据线先置低电平“0”;延时确定的时间为15 μs;按从低位到高位的顺序发送字节(一次只发送一位);延时时间为45μs;将数据线拉到高电平;所有的字节全部发送完后将数据线拉高。MC9S08GB60d对DS18B20的读操作指令为：数据线拉高“1”;延时2μs;将数据线拉低“0”;延时15μs;将数据线拉高“1”;延时15μs;读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理;延时30μs。

4)气敏传感器。MC9S08GB60对MQ-2的连接为使用MC9S08GB60的模数转换接口，MQ-2的模拟量输出为0-5 V，气体浓度越高电压输出越高。可以通过定时器定时读取电压值并与设计好的门限电压比较来判定是否发生了漏气现象。

5)MC9S08GB60与GSM的软件接口其实就是单片机通过RS232与GSM短信息有关的AT指令控制手机的控制技术，是一种操作控制GSM模块的软件协议的集合，通过编写程序软件利用串口收发AT指令达到控制GSM模块收发短信的目的。AT指令控制短消息发送有两种常用模式，即TEXT模式、PDU模式。PDU模式可以采用unicode编码发送英文、汉字。本系统设计采用GSM模块的PDU模式进行短消息的收发。

系统软件流程图如图2所示。

3 结束语

文中重点讨论了智能窗系统结构设计、软件设计，在经过调试后，基于单片机、ZigBee模块、GSM模块、温湿度传感器、红外传感器等模块设计的智能窗系统很好地完成了设计要求。本设计方案兼顾通用性、扩展性和性价比，还可以推广应用到大部分家用电器上，比如电灯、洗衣机、电冰箱等的远程控制上，具有广阔的技术应用与产业化前景。