基于ZigBee的红外空调控制

聂 川，秦会斌，屈力扬

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018；2.中国电子科技集团公司第五十二研究所 浙江 杭州 310018）

近几年来智能设备不仅在无线领域有飞速的发展，人们对技术的追求越来越高，智能化越来越受到人们的欢迎。用红外遥控器控制空调虽然已取得相应的成就，但是用红外遥控器控制空调受到距离和角度的限制，为了解决所出现的问题，本设计从红外编码、ZigBee组网的原理以及实现原理和红外控制电路三方面分析，采用ZigBee星型组网方式以及多方位红外控制电路，实现局域网内实时、高效的控制空调。

1 红外编码的实现及原理

红外的编码[1]是空调控制系统的核心。现有的红外遥控[1-3]包括两种方式：PWM （脉冲宽度调制）和PPM （脉冲位置调制）。该系统采用PWM的方式，其载波频率为38 kHz，编码协议为NEC协议。PWM波以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”，为了节省能量，一般情况下，发射红外载波的时间固定，通过改变不发射载波的时间来改变占空比。如本文中所描述的格力空调的占空比为1/3，发射红外载波的时间为0.56 ms，以不发生红外载波的时间0.56 ms和1.69 ms来分别代表“0”和“1”，如图 1。

图1 调制后的"0"和"1"Fig.1 Modulated"0"and"1"

空调的红外编码与电视、音响等不一样，电视的编码格式固定，一个按键只有一个编码，编码相对简单，而空调必须一次将制冷、温度、风速、定时等发送完毕，编码复杂，如图2。

图2 红外发射编码Fig.2 IR send codes

2 ZigBee组网原理及通信原理

2.1 ZigBee之间的网络连接方式及组网过程

ZigBee因具有低功耗、低成本、网络容量大、安全性高、自组网以及自修复等功能而逐渐成为短距离无线通信的首选。ZigBee的网络拓扑结构[4，9-10]最常见的有 3种：星型、树型、网状型。如图3。本文中采用的是星型网络拓扑结构，由ZigBee协调器向ZigBee终端节点不经过ZigBee路由器直接向ZigBee终端节点发送数据，此网络拓扑结构简单，发送和接受数据稳定、可靠。

图3 ZigBee网络拓扑结构Fig.3 ZigBee network topology

组建一个完整的ZigBee星型网络[5-6]包括两个步骤：创建网络和添加节点。

创建网络：第一步，确定一个ZigBee为协调器，并确定其没有加入到其它的局域网中；第二步，确定的ZigBee协调器对信道进行扫描；第三步，确定的ZigBee协调器设置网络的ID。

添加节点：第一步，加入的节点查找最近的ZigBee协调器；第二步，加入的节点发送连接请求给ZigBee协调器；第三步，ZigBee协调器接收加入的节点发送的请求并进行处理；第四步，ZigBee协调器将同意加入的命令存储起来并发给加入的节点；第五步，加入的节点接收ZigBee协调器发送的同意加入的命令。

2.2 ZigBee之间的互相通信

ZigBee之间相互通信[7]框架图如图4所示，它们之间通过函数

多个ZigBee通过识别不同的cID来接收ZigBee协调器发出的信息，达到可靠、稳定的效果。

destAddr:指向目的地址

cID：指ZigBee的发送序号

buf：指向要发送的数据

len：指发送数据的长度

图4 ZigBee通信框架Fig.4 ZigBee communication frame

3 实验仿真与分析

3.1 系统工作框架原理

系统借助PC串口助手，在串口助手上输入红外编码，发送给ZigBee协调器，协调器通过组网，将编码信号经过无线传送给ZigBee终端节点，终端节点收到指令后，控制CC2530芯片的P1_4引脚将红外编码发送出去，随后将发送编码成功信息反馈给协调器，协调器通过串口将信息显示到串口助手上。如图5系统框架[8]图。

图5 系统工作框架图Fig.5 System work frame

3.2 红外模块设计

系统采用外部供电的方式给红外发射管供电，P1_4引脚的输出电压为3.3，当S8050三极管导通工作时，根据回路、回路，以及红外发射管的参数，本文采用Rb=1.5 kΩ，Rc=100Ω，保护红外发射管和三极管。红外模块电路图[2-8]如图6所示。

3.3 实验结果和分析

实验结果：当依次输入制冷模式、开空调、风速高、扫风开、睡眠关、温度26℃、不定时后，实验结果如图7所示，遥控编码如图8所示。

图6 红外模块电路图Fig.6 IR circuit

实验分析：将实验结果图与遥控器的红外编码图比较，相差无异，空调可以正常工作，此实验说明，红外模块的设计是合理的。但是外接电压经过1小时供电后，Vcc降低了，红外的发射距离受到了影响，有时空调接收不到信号；同时红外发射管与空调的红外接收管必须保证一定的角度，空调才能接收到信号，对此进行以下改进。

图7 实验编码Fig.7 Experiment codes

图8 遥控器编码Fig.8 Remote-controler codes

3.4 实验改进

针对2.3中的实验的结果分析，为保证红外长距离稳定发射，在三极管的基极上与电阻并联2个二极管，这样基极电压被控制在1.2，三极管的发射极电压，保证发射极电压为恒定的0.6。解决了因电压降低不能长距离发送的问题。为解决角度的问题，在外接电路上再并联2个红外发射管，解决了单一方向和角度的问题。改善后的电路如图9所示。

图9 改进后的红外发射电路图Fig.9 Changed IR emit circuit

改进后再次对实验结果进行测试，与未修改时相比波形几乎没有什么变化，经过1小时供电后，再次进行测试，结果显示，波形稳定。

4 结 论

文中提出了一种基于ZigBee的红外控制空调的方法。该方法摒弃了传统的利用空调遥控器进行空调的方法，简化了操作，同时还得到了空调的反馈信息。将该方法应用于实验室智能设备的控制上具有一定的参考价值。经过对实验结果的进一步分析，完善红外发射电路的设计，达到了理想的控制空调的效果。实验表明，本文提出的方法对长距离控制实验室设备，具有一定的意义。

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