CN202309745U - 一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统，包括用于执行家电信息采集和工作控制的传感器板、用于处理显示家电信息和输出家电控制信号的手持终端；所述传感器板和手持终端之间通过ZigBee无线网络实现无线通讯连接；本实用新型的智能家电节能控制系统能够以较低的能耗实现家电的智能化控制和信息采集。

Description

一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能家电节能控制系统，特别涉及一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统。

背景技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

当前，家电技术透明度较高，产品技术含量偏低，同质化严重，实质性创新匮乏。这既是中国家电行业的短板，又是不能回避和否定的客观现实。随着互联网的日益普及，智能控制技术的飞速发展，家用电器的研发和革新也开始走向了网络化和智能化。家电产品的节能、降耗、健康、环保、舒适等目标，通过家电智能化、网络化可以更容易实现，进而实现使用过程的节能。无论是传统的冰箱、空调、洗衣机等大家电，还是传统的电饭锅、电暖器、吸油烟机、微波炉等小家电，在“智能家电”概念下，都焕发出了时代新意和创新特征；无论在节能、减排、降耗、资源循环利用等方面，还是在人性化、安全性、可靠性等方面，在“智能家电”概念下，都显示出了与国家产业政策的吻合和与消费者需求的吻合。然而，目前家电的智能化都是以高能耗的代价来实现的，无法做到技术先进、经济合理、实用可靠。研究家居智能化过程中的能耗及节能技术，对全民树立节能意识，从日常生活、从自己身边实现节能具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统，能够以较低的能耗实现家电的智能化控制和信息采集。

本实用新型的目的是通过以下技术措施实现的：

一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统，包括用于执行家电信息采集和工作控制的传感器板、用于处理显示家电信息和输出家电控制信号的手持终端；所述传感器板和手持终端之间通过ZigBee无线网络实现无线通讯连接。

作为实用新型的一种实施方式，所述传感器板包括用于采集水电表数据的水电气数据采集板、用于采集环境温湿度数据和执行空调控制的空调控制板、用于采集环境光照度和执行红外检测与调光控制的调光控制板。

作为实用新型的一种实施方式，还包括用于远程控制家电工作和显示家电信息的远程终端，远程终端与所述手持终端之间通过以太网实现网络通讯连接。

作为实用新型的一种实施方式，所述手持终端包括用于执行手持终端信息处理功能的核心数据运算处理单元、第一供电单元、显示接口单元、用于显示家电信息和输出操作指令的LCD触摸屏以及第一通信单元；所述第一通信单元包括串口模块、USB接口模块、以太网通信模块和用于ZigBee无线网络通讯的第一ZigBee射频模块；所述LCD触摸屏通过所述显示接口单元连接到所述核心数据运算处理单元的相应端口；所述手持终端供电单元、串口模块、USB接口模块、以太网通信模块和第一ZigBee射频模块分别连接到所述核心数据运算处理单元的相应端口。

作为实用新型的一种实施方式，所述核心数据运算处理单元集成在一块CPU核心板上，所述第一供电单元、显示接口单元和第一通信单元集成在一块CPU母板上，所述LCD触摸屏安装在CPU母板背面。

作为实用新型的一种实施方式，所述水电气数据采集板包括供电单元、用于采集水电表数据的第二通信单元和用于ZigBee无线网络通讯的第二ZigBee射频模块；所述供电单元和第二通信单元分别连接到所述第二ZigBee射频模块的相应端口。

作为实用新型的一种实施方式，所述空调控制板包括供电单元、用于输出空调控制信号的第三通信单元、用于检测环境温湿度的温湿度采集模块和用于ZigBee无线网络通讯的第三ZigBee射频模块；所述供电单元、第三通信单元和温湿度采集模块分别连接到所述第三ZigBee射频模块的相应端口。

作为实用新型的一种实施方式，所述调光控制板包括供电单元、用于输出光度调节信号的第四通信单元、用于光照度采集和红外检测的光度采集模块以及用于ZigBee无线网络通讯的第四ZigBee射频模块；所述供电单元、第四通信单元和光度采集模块分别连接到所述第四ZigBee射频模块的相应端口。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用新兴的ZigBee技术实现无线传感器节点之间以及无线传感器网络与数据处理基站之间的数据通信，应用新兴、高效的无线通信技术，使得系统的通信具有传输速率快、通信质量高、功耗小、成本低；设计了硬件电路进行处理，速度快、稳定；预留了扩展接口，方便添加对其他协议的支持；软件上采用模块化思想设计，可重用性高。本实用新型的智能家电节能控制系统外网借助以太网网络传输数据，内网采用ZigBee技术与信息家电组成开放式网络系统，实现住宅智能化与节能的双赢结合，降低家庭内部能耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型智能家电节能控制系统的原理框图；

图2为本实用新型手持终端的内部框图；

图3为本实用新型手持终端微处理器及其最小系统部分的电路原理图；

图4为本实用新型手持终端中供电单元的电路原理图；

图5为本实用新型手持终端中串口模块和USB接口模块的电路原理图；

图6为本实用新型手持终端中以太网通信模块的电路原理图；

图7为本实用新型手持终端中ZigBee射频模块和仿真模块的电路原理图；

图8为本实用新型手持终端中显示接口单元的电路原理图；

图9为本实用新型水电气数据采集板的内部框图；

图10为本实用新型水电气数据采集板中供电单元的电路原理图；

图11为本实用新型水电气数据采集板中ZigBee射频模块的电路原理图；

图12为本实用新型水电气数据采集板中通信单元的电路原理图；

图13为本实用新型空调控制板中温湿度采集模块的电路原理图；

图14为本实用新型调光控制板中光度采集模块的电路原理图；

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于ZigBee的智能家电节能控制系统，包括用于执行家电信息采集和工作控制的传感器板、用于处理显示家电信息和输出家电控制信号的手持终端。传感器板作为本实用新型智能家电节能控制系统的信息家电控制器，手持终端作为本实用新型智能家电节能控制系统的智能网关，通过ZigBee无线网络与传感器板实现无线通讯连接，手持终端与传感器板的开发板上均设计有ZigBee模块的插件来连接ZigBee射频模块，这样，手持终端与传感器板之间利用ZigBee模块构成无线网络，完成数据的无线传输。传感器板可下挂各种模块，如空调、冰箱等家电，脉冲水表，脉冲电表，灯具、温湿度探头等，实现信息采集以及家庭中的家电和灯光控制，按照功能分类，传感器板包括用于采集水电表数据的水电气数据采集板、用于采集环境温湿度数据和执行空调控制的空调控制板、用于采集环境光照度和执行红外检测与调光控制的调光控制板。手持终端还可通过有线或WiFi网络与互联网连接，实现远程控制，是家庭内部和外部世界联系的接口、家庭控制和家庭内部安全信息的中心。系统外网借助以太网网络传输数据，内网采用ZigBee技术与信息家电组成开放式网络系统，实现住宅智能化与节能的双赢结合，降低家庭内部能耗。这样该实用新型的基于ZigBee的智能家电节能控制系统即实现了家用电器的智能化控制，达到了家电产品的节能、降耗、健康、环保、舒适等目标。

图2示出了本实用新型中手持终端的一种具体实施方式，包括CPU核心板、CPU母板和LCD触摸屏，以CPU核心板为控制中心，在Linux基础上实现人机界面、家庭网关协议栈、智能用电调控算法/策略等，图中清晰描述手持终端内部各功能模块组成。

CPU核心板为系统核心数据运算和处理部分，其上设有手持终端的核心数据运算处理单元，包括微处理器、Flash、SDRAM、复位系统、JTAG等。如图3所示，其具有最基本的系统配置：微处理器采用三星S3C2440，运行于400MHz，32.768KHz晶振作为系统的慢时钟频率；12M无源晶振作为系统主时钟频率；2M的NOR Flash，256M的NAND Flash，有两片16-bit宽度的32M SDRAM组成的64M SDRAM；系统支持两种启动模式(Nand Flash启动和Nor Flash启动)，如图3所示。

CPU母板为系统主要应用部分，其上设有供电单元、通信单元和显示接口单元等。CPU核心板工作时应接在CPU母板上。这样采用将不同的功能模块设计在在不同的板子上的设计，好处是对于不同型号的设备，只需要对CPU母板进行重新设计就可以，而不需要改变CPU核心板，方便系统的二次开发。

上述通信单元包括串口模块、以太网通信模块、USB接口模块和ZigBee射频模块，各模块之间相互独立与对应的外部设备连接。其中串口模块为2路RS232，1路485，通过不同的串行接口与外部设备通信；以太网通信模块为10/100M以太网通信模块，通过执行网络通信协议，实现控制器与外部设备的以太网通信；USB接口模块对应的USB端口可通过无线网卡接入WiFi网络，同时，也可作为程序更新接口；Zigbee射频模块通过SPI总线与CC2530模块相连，实现各传感数据采集。Zigbee模块插座与CPU采用SPI连接。

本手持终端实施例中，LCD触摸屏采用7寸液晶显示屏，安装在上述CPU核心板和CPU母板组成的电路板背面，采用QT实现应用程序界面；触摸屏为4线或5线式兼容设计，电阻式触摸屏接口，2.54mm间距。

图4示出了本手持终端实施例中的供电单元的电路，由外部提供12V电压通过两级电压转换为各模块提供工作时所需电压：芯片U1为LM2575-5.0，其作用是将输入的12V电压转换为5V电压为CPU核心板提供电压；芯片U2为LM1117.3.3，其作用为将第一级输出5V电压转换为3.3V电压为ZigBee等其他模块供电。

图5示出了本手持终端实施例中的串口模块和USB接口模块。

本系统的微处理器S3C2440本身有3组串口信号：TXD0和RXD0，TXD1和RXD1，TXD2和RXD2，我们利用这三组信号设计了2路RS-232和1路RS-485，分别对应COM0、COM2、CON2，可以通过各自附带的直连线与PC机或外部设备互相通讯。其中，芯片U3、芯片U4型号为MAX3232SOP，为RS232串口转换芯片，芯片U5型号为MAX485为RS-485串口转换芯片。

USB接口模块的电路比较简单，因为微处理器S3C2440内部集成了USB模块，只要从微处理器的相关引脚引线至USB端口即可，本设计中有两路USB，分别为Device USB和Host USB，相对应的USB端口为USBD和USBH1，USBD端口用于程序更新接口，USBH1用于连接无线网卡接入WiFi网络。

图6示出了本手持终端实施例中的以太网通信模块，本模块中采用的网卡芯片U8，型号为DM9000，它可以自适应10/100M网络，RJ45连接头使用的是HR911103A，其内部已经包含了耦合线圈，因此不必另接网络变压器，使用普通的网线即可与路由器换交换机连接。

图7示出了本手持终端实施例中的ZigBee射频模块和仿真模块，本模块中ZigBee射频模块选用CC2530射频芯片来完成数据在无线网络中的发送与接收。S3C2440处理器通过SPI总线接口和射频芯片CC2530通信。芯片P1为JTAG仿真接口，支持标准的边界扫描仿真协议。

图8示出了本手持终端实施例中的显示接口单元，包括由LCD显示接口模块、触摸屏接口模块以及背光控制模块。其中LCD_A70接口是专门针对群创的7寸LCD显示屏设计的，本设计中用的显示设备是AT070TN83(A70)，接口大部分数据信号都是从CPU直接引出的，在使用LCD_A70接口时，可以直接通过一条40Pin同向FPC电缆连接A70即可达到很好的显示效果；CON3为触摸屏接口，可以直接连接触摸屏使用；LCD_PWR是背光控制信号，芯片U9是背光处理芯片。

本实用新型的传感器板以CC2530为核心，主要包括供电单元、通信单元、ZigBee射频模块和各信息采集控制电路，传感器板通过Zigbee无线网络与智能网关相联系，工作时以电池供电为主。本实用新型传感器板包括三种类型：水电气数据采集板、空调控制板和调光控制板；它们主要实现的功能有：采集家用水、电信息；空调节能控制、温湿度控制；灯光调光控制。本实用新型将这三个功能设计在三块不同的板子上，分别为水电气数据采集板、空调控制板和调光控制板，这三种类型的传感器板具有相同的供电单元、通信单元、ZigBee射频模块和仿真模块。

图9示出了本实用新型中水电气数据采集板的一种具体实施方式，包括供电单元、通信单元和ZigBee射频模块。

图10示出了本水电气数据采集板实施例中的供电单元，本模块中提供了四种供电方案，用户可根据工作环境选择供电方式：电池提供4.5V电压通过TPS79533转换为3.3V工作电压供电；外接7.2V直流电源通过TPS79533转换3.3V工作电压供电；USB提供电源通过TPS79533转换为3.3V工作电压；仿真器直接提供3.3V工作电压。图中电压转换芯片TPS79533的输入电压可调，当输入电压在4.3V到5.5V之间时转换后的输出电压是3.3V。

图11示出了本水电气数据采集板实施例中的ZigBee射频模块，本模块中ZigBee射频模块选用CC2530射频芯片来完成数据在信息家电控制器与智能网关之间无线传输。

图12示出了本水电气数据采集板实施例中的通信单元，USB转串口电路的作用是将PC机的USB口通过转换做串口使用，目的是为了方便用户使用串口调试，该电路采用了FT232RL完成转换工作。J1、J2为跳线帽，切换USB接口及485接口，当分别连接J1、J2的1、2脚是选择USB转串口，如果是连了各自的2、3脚则是选择了485接口。485接口是用来连接具有485接口的被控制设备，本设计中选用MAX3485作为485接口转换芯片，其工作电压为3.3V。

本实用新型中的水电气数据采集板只需通过上述485接口来连接需要采集的水、电表的信息，通过ZigBee模块将采集到的信息发送给手持终端实时显示，便于实时监控水电表数据，实现节能目的。只需通过上述485接口来连接需要采集的水、电表的信息，通过ZigBee模块将采集到的信息发送给手持终端实时显示，便于实时监控水电表数据，实现节能目的。本实用新型中的水电气数据采集板可以连接到电子脉冲水表和电子脉冲电表上，连接到电子脉冲水表时，电子脉冲水表通过RS485总线连接到传感器板，由CC2530实时采集脉冲水表用水信息，通过Zigbee无线通讯送实时信息给手持终端；连接到电子脉冲电表时，电子脉冲电表通过RS485总线连接到传感器板，由CC2530实时采集脉冲电表用电信息，通过Zigbee无线通讯送实时信息给手持终端。

本实用新型中空调控制板的一种具体实施方式，与上述图9～11所示水电气数据采集板的实施例基本相同，空调的控制同样可以通过上述485接口的空调遥控器进行控制，其不同点在于还包含有实现温湿度采集的温湿度采集模块。

如图13所示，本空调控制板实施例中的温湿度采集模块，采用瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11，其工作电压为3.3V，如图中所示，DATA与SCK两根信号线分别与CC2530的P1.2和P1.3相连(采用IO仿I2C接口)，实现数据的读写。

本实用新型中的空调控制板可以空调控制和温湿度检测两种功能，空调控制功能是设置空调温度及状态的功能是由连接到传感器板的空调控制器完成的，空调控制器由主机供电工作。由温度探测器探测房间温度并通过Zibee传感器板发送给手持终端，当某房间处于低温状态，并且有一定的时长后，手持终端报警或者自动设置房间温度为指定的温度(如25度)；温湿度检测功能是传感器板检测温湿度后，通过Zigbee无线通讯送实时信息给手持终端。

本实用新型中调光控制板的一种具体实施方式，与上述图9～11所示水电气数据采集板的实施例基本相同，其不同点在于还包括有实现光照度采集和红外检测的光度采集模块。调光控制板通过Zigbee无线通讯接收手持终端信息后，通过调光电路可进行灯光开关以及亮度调节。

如图14示出了本调光控制板实施例中的光照度采集模块，其中光照度采集功能是采用光敏电阻P9003来实现的，它是一种光电导器件，具有光电导效应，受到光辐射以后，电导率会发生变化，引起其电阻值发生相应的变化，入射光变强，则电阻变小；对于红外监测功能，本设计使用型号为RE200B的红外传感器，输出电压为1mV左右，需要对输出信号进行处理。对传感器输出信号的处理系统中选用了红外热释电处理芯片BISS0001，配以热释电红外传感器和少量外接元件构成被动式的热释电红外信号处理电路。人体红外监测的电路原理如图14所示，CC2530的P01端口通过一个电阻与BISS0001芯片的第2脚VO相连。当模块监测到有人体活动的时候，VO输出高电平，否则都为低电平。配置CC2530的P01口的I/O外部中断功能，有上升沿脉冲来临的时候，外部中断唤醒，进行相应的数据处理，并将数据发给路由器节点。BISS0001芯片的第1脚连接跳线帽J7，可选择重复或非重复触发。对于调光控制功能的设计，只需用我们设计好的RS485接口，连接市场上已经设计完善的智能调光器，就可以控制可调光灯具。提供一个RS485接口，可带多路调光器，进行调光控制。对于不可调光的灯具，可以选择开关量控制的终端设备，即在CC2530上可直接连接继电器控制不可调光的灯具(或电器)，本设计中在CC2530外围电路的基础上带2路继电器，继电器由5V供电，可以同时控制两盏灯的开关。

本实用新型的硬件部分功能模块、接口具有很强的独立性，软件采用模块化设计，均可以根据实际使用情况进行裁剪；各种存储器的容量也可以根据实际需要进行选择，具有很大的灵活性；所有的器件都使用了标准的封装形式，符合产品规范化和标准化的要求。这种功能化、模块化的设计是控制产品成本的一个非常重要的手段，也是快速开发产品的有力保证，也为今后应用领域的扩展提供了方便。

本实用新型的实施方式不限于此，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均可实现本实用新型目的。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：包括用于执行家电信息采集和工作控制的传感器板、用于处理显示家电信息和输出家电控制信号的手持终端；所述传感器板和手持终端之间通过ZigBee无线网络实现无线通讯连接。

2.根据权利要求1所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述传感器板包括用于采集水电表数据的水电气数据采集板、用于采集环境温湿度数据和执行空调控制的空调控制板、用于采集环境光照度和执行红外检测与调光控制的调光控制板。

3.根据权利要求1或2所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：还包括用于远程控制家电工作和显示家电信息的远程终端，远程终端与所述手持终端之间通过以太网实现网络通讯连接。

4.根据权利要求3所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述手持终端包括用于执行手持终端信息处理功能的核心数据运算处理单元、第一供电单元、显示接口单元、用于显示家电信息和输出操作指令的LCD触摸屏以及第一通信单元；所述第一通信单元包括串口模块、USB接口模块、以太网通信模块和用于ZigBee无线网络通讯的第一ZigBee射频模块；所述LCD触摸屏通过所述显示接口单元连接到所述核心数据运算处理单元的相应端口；所述手持终端供电单元、串口模块、USB接口模块、以太网通信模块和第一ZigBee射频模块分别连接到所述核心数据运算处理单元的相应端口。

5.根据权利要求4所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述核心数据运算处理单元集成在一块CPU核心板上，所述第一供电单元、显示接口单元和第一通信单元集成在一块CPU母板上，所述LCD触摸屏安装在CPU母板背面。

6.根据权利要求3所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述水电气数据采集板包括供电单元、用于采集水电表数据的第二通信单元和用于ZigBee无线网络通讯的第二ZigBee射频模块；所述供电单元和第二通信单元分别连接到所述第二ZigBee射频模块的相应端口。

7.根据权利要求3所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述空调控制板包括供电单元、用于输出空调控制信号的第三通信单元、用于检测环境温湿度的温湿度采集模块和用于ZigBee无线网络通讯的第三ZigBee射频模块；所述供电单元、第三通信单元和温湿度采集模块分别连接到所述第三ZigBee射频模块的相应端口。

8.根据权利要求3所述基于ZigBee的智能家电节能控制系统，其特征在于：所述调光控制板包括供电单元、用于输出光度调节信号的第四通信单元、用于光照度采集和红外检测的光度采集模块以及用于ZigBee无线网络通讯的第四ZigBee射频模块；所述供电单元、第四通信单元和光度采集模块分别连接到所述第四ZigBee射频模块的相应端口。

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