杨堃

【摘要】基于Zigbee通信协议，设计了一种智能空调控制系统的外围电路。系统以CC2530模块为核心配置，采用DS18B20温度传感器、Nokia5110液晶及计算机监控系统等部件，通过上位机、单片机与传感器三者相连，采集、存储并控制系统的测量数据，进而实现对空调系统的远程控制。深入研究了PCB內部天线增强系统杭干扰能力的设计。

【关键词】无线智能空调系统;外围电路;设计

当今社会，人们对生活品质要求越来越高，而传统的家电已经不能满足人们的需求，因此智能家理念电悄然兴起。智能家电是指将微电脑和通信技术融入到传统的家用电器中，可以随时随地地获取与处理信息的消费电子产品，其重要的特征是通过Internet传递数字信息。基于此，设计了一种基于ZigBee通信协议的智能空调控制系统的外围电路。结合原空调控制系统，可以远程实时监测、控制空调的运行。

1.ZigBee协议栈结构

ZigBee协议栈结构是由一组被称为层的模块组成。下面的一层为上面的一层执行特定的服务，即数据实体提供了数据传输服务，管理实体提供了所有其它的服务。上层由服务实体通过服务接入点提供一个接口。物理层和媒体介质访问层由IEEE802.15.4协议标准制定，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。物理层为上层提供原始比特流的数据连接，MAC层控制数据包的物理寻址，网络层是确定网络传输路径，应用层为应用程序服务。每层机构通过数据服务接口和管理服务接口进行相邻层之间的通信。

2.PCB内部天线的设计

使用PCB内部天线时，为了增强系统的抗干扰能力，需要设计精准的天线长度。由CC2530芯片可以知道，系统的频率f为2.4GHz，光的传播速度CO为3×108m/s，可计算真空中的波长，如公式（1）所示：λ=CO/f（1）

当电磁波在其他介质中进行传播时，可根据介质与真空的介电常数计算在介质中的传播速度，如公式②所示：

由于在制作PCB板子时，介电常数还会受到PCB板子厚度h以及线宽w的影响，因此有效介电常数εoff如公式③所示：

由此可算出PCB天线的半波振子L_{HW_PCB}的长度，如公式

（4）所示：

而单极PCB内部夭线的长度是PCB天线半波振子L_{HW_PCB}的长度的1/4，因此可算出PCB内部天线的长度，如公式（5）所示：

L_{HW_PCB}=1/4L_{HW_PCB}

设计的PCB板子的材料是FR4，该板子的介电常数为4.2，板子的厚度为1.6mm，天线宽度为1mm，计算出有效值为2.965，电磁波在板子中的波长为72.594mm，因此PCB内部天线的长度设计为36.33mm。

3.整体电路的系统设计

一个完整的ZigBee智能空调系统需要一个协调器，一个或多个路由器及许多个终端节点组成，这样才能完成网络的搭建，路径的分配和数据采集及传输任务。基于ZigBee协议设计的外围电路，系统框图如图1所示，无线智能空调系统外围电路的结构是星状网络结构，由一个全功能协调器（采集模块），一个LCD液晶及温度传感器的测温节点作为终端节点（传感模块）组成。

采集模块通过串口与PC机相连，传感器模块被布置在家中的空调上，通过温度传感器DS18B20实时监测室内温度，然后温度数据以无线的方式发送给采集模块，通过串口通信传递到上位机，家庭成员通过Internet远程查看温度池可以远程设定空调温度，即通过上位机进行温度数据的设定，进而反向传输到传感模块的LCD液晶上显示。

4.系统的硬件设计

硬件电路主要由传感模块、采集模块和电源模块组成。

4.1 通信模块的选择

设计过程中为了增加中心节点的数据存储和处理的能力，选用了带有256K Flash和标准8051增强型处理器的CC2530作为核心模块。

4.2 采集模块的硬件设计

采集模块主要负责建立、管理和维护网络。采集模块是由CC2530模块、电压转换电路、电源电路、串口、复位键、指示灯以及天线组成。由于CC2530模块的工作电压是3.3V，所以采用电压转换芯片REG1117把5V电压转换为3.3V。

4.3 传感模块的硬件设计

传感模块是智能空调控制系统的终端节点。传感模块除了包含有采集模块组成部分外，还具有温度传感器DS18B20和LCD液晶显示部分。传感模块需要一个串口线即可实现DS18B20温度传感器和PC机的双向通信。

4.4 电源电路设计

电源电路为智能空调系统的其他功能模块供电，保证模块的正常工作。模块中，下载设备和调试设备需要5V供电，芯片CC2530需要3.3V供电，因此采用电压转换芯片进行电平转换。为了充分满足不同工作环境，系统采用3种供电方式：电池供电、USB供电、稳压电源直流供电。

5.系统的测试结果及分析

无线智能空调外围电路的测试结果分为两个部分，一是上位机上显示的每隔1s采集的温度数据及我们对空调设定的温度。另一部分是通过LCD液晶显示的室内温度

测试结果表明：无线智能空调外围电路控制系统能够实现对室内温度的实时采集，以及远距离的无线传输的控制，系统具有数据精准、体积小、移植性强、传输距离可达20m左右，可穿透障碍物等特点，具有广阔的应用前景。

6.结束语

系统是基于ZigBee的无线智能空调外围电路的设计。由CC2530、DS18B20和Nokia5110液晶屏组成的无线智能空调控制系统更具有移植性强，省电，灵活小巧等优点，可以应用在很多场合，方便人们的生活。PCB内部天线的长度设计为36.33mm使杭干扰能力增强，收发数据精准。系统以无线方式进行数据的传输，避免了传统排线繁琐的缺点，更适用于当今社会的需要。

【参考文献】

[1]葛广英，葛菁，赵云龙著.ZigBee原理、实践及应用[M].清华大学出版社

[2]张小威著.ZigBee电路设计及在智能家居中的应用[D].南京邮电大学电子与通讯工程，2013