袁伟璇
广州朗威电子科技有限公司
摘要：本文开发新一代ZigBee嵌入式空调控制终端，可直接内置于空调产品。ZigBee有以下几个优点：1.支持所有38KHz标准的红外遥控设备2.提高网络可靠性和容灾性3.可以实现快修。该产品不仅适用于前装市场，也适用于大部分后装市常方便快捷，不需要外接电源。且目前市场上尚未有同类产品，本产品可填补市场空白。因此，本文研究的是ZigBee对嵌入式空调控制器的效益。
关键词：ZigBee；红外遥控；网络；效益
1.引言
ZigBee是一种新的短距离无线通信技术，旨在解决工业，医疗，办公楼和智能家居中应用的低成本，低功耗，低复杂度和低数据传输率的问题。 当无线传感器网络（WSN）构建时，如何在没有整个系统错误的情况下管理大量数据变得非常重要，特别是对于商业应用。 我们的目标是开发新一代ZigBee，通过无线通信技术处理Zigbee网络中的数据发送和接收，具有应用与家具产业的潜力。 在整个软件中，主要有三种无线通信算法，如数据发送，数据接收和数据显示。 本文将给出并讨论上述软件框架的设计和具体的实现算法。ZigBee空调控制器实现了对空调的智能控制。采用嵌入式安装，无需更换空调，支持所有38KHz标准的红外遥控设备，通过学习解读用户红外遥控操作，读取空调数据，上传数据到云平台，云平台进行数据采集，结合平台的节能策略、实现空调节能管控。本文开发并介绍了基于ZigBee技术的监测和控制系统。ZigBee是一套高级通信协议的规范，它使用基于IEEE 802.15.4-2003无线个域网标准的小型低功耗数字无线电。目前推出的这款产品，具有支持设置空调遥控权限，过滤遥控的非法指令，以及支持配置卡，存储ZigBee 设置参数等功能。
2.空调控制器及系统研发
空调几乎是每个机构单位必不可少的组成部分。这些用于住宅，室内体育馆和会议厅等场所，也用于家庭和办公室。由于多个输入和输出的相互复杂作用，而空调难以在数学上建模。传统的控制设计方法需要开发控制系统的数学模型。马里兰州。有学者提出了一种空调控制器系统，该系统使用两个温度和湿度传感器输入，分别在0°C至40°C和0％至100％范围内。一个控制风扇速度的输出。空调系统甚至可以输入一个用户偏好温度的输入。设计采用用户首选温度，温度差和室内露点温度的输入。输出用于控制压缩机速度，风扇速度，操作模式和精确方向。操作模式允许空调正常运行直到达到目标温度，之后它起到除湿机的作用。而有的学者提出的另一种设计，从有毒气味传感器中获取额外的输入，以检测有毒气体的存在，以增强安全性，并增加控制通风系统的输出。使用基于ZigBee控制系统的自动室内空气冷却器的设计和实现。系统从温度和湿度传感器接收两个输入值。三个输出控制冷却器风扇速度，水泵速度和室内排气扇速度。所有上述设计的结果表明，ZigBee有助于解决复杂问题，而不涉及物理变量之间的复杂关系。发现基于ZigBee空调控制器比传统控制器更好使用，也降低了能耗。
使用基于ZigBee的空调控制器。系统的空调控制器由两个输入和一个输出生成。 两个输入对应于房间的温度和湿度，分别取名称'input1'和'input2'。 输出对应于压缩机速度，名称为"输出"。两个输入每个都有四个三角形隶属函数，输出具有16个恒定性质的隶属函数。然后对生成的结果进行操作，获得输入输出数据集。 然后input1和input2的隶属函数分别为10?C - 40?C和15％-85％，如图2和图3所示。基于ZigBee控制器的数据如表1所示。
ZigBee协议是一种短程，低功耗，低成本，低速率，高可靠性的无线通信技术。 ZigBee设备的传输距离通常只有100米。 因此该技术采用多跳路由转发传输。该标准是在IEEE 802.15.4物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层，制定网络层和应用服务支持的基础上开发的。ZigBee 通信，支持IEEE 802.15.4，+20dBm 最大输出，无线速率250Kbps，天线方式：全向3dBi（标配），红外解码输入×1，红外输出×1
3.ZigBee的网络监控
选择9-24VDC，电源转化率达95%，0.1A工作电流。使用具有以下规范的NS-2开发Zigbee协议模块。仿真面积为50×50 m2，节点数为21，传输距离为12 m，数据包错误率为0.2％，数据速率为250 Kbps，数据包大小为70字节，仿真时间为150秒。Cortex M3 处理，支持OTA 空中升级。支持空调：TCL、格力、海尔、美的；支持设置空调遥控权限，过滤遥控的非法指令；支持配置卡，存储ZigBee 设置等参数。
从图4中我们可以看出，树路由在转发数据包时具有更快的响应，因为它不需要启动路由表。流程从第25秒开始。在第27秒，7个树路由数据包到达目的节点。 Z-Aodv路由数据包仅在第27秒到达，因为Z-Aodv必须启动路由发现。 Z-Aodv建立其路由表后，两种路由方法中的数据包数量趋于相同。 Z-Aodv总是选择跳数较少的路由，树路由通常不会获得较短的路由。因此，在树路由网络中传输的数据帧总是比在Z-Aodv网络中传输的数据帧多1.2到1.4倍。因此，Zigbee的树路由适用于突发数据传输，Z-Aodv适用于连续数据传输。ZigBee 天线不外露，避免容易损坏和不美观执行标准。
图四，树路由与Z-AODV路由的性能比较
数据帧标题中的发现路由字段决定数据帧的路由方法。如果它具有SRD的值，则它使用已存在的路由表。当目标节点没有相应的地址时，网络将使用树路由。如果发现路由字段具有ERD的值，并且路由表中存在路由地址，则路由将遵循此路由表。否则，路由器将启动路由发送。当节点无法启动路由发现时，它将使用树路由。基于前面部分模拟的结果，我们可以选择Zigbee应用层中的绑定数据服务和突发数据服务，启动路由。这种路由方法称为基于数据服务的路由。效率定义为传输数据字节与总传输字节之间的比率。图5显示了三种路由策略在效率方面的比较。SRD路由方法的效率最高。ERD路由方法的效率最低。BOS必须单独启动连续数据流的路由。ERD必须为连续和突发数据流启动路由。控制开销的增加使ERD的效率降低。图6显示了针对不同的突发数据条件，在所有三种路由策略中为了传输单个数据包而需要的平均帧数。SRD需要更多帧来传输单个数据包，因为它使用定义的树路径。但ERD选择最短的路径，反过来它需要很少的郑由于BOS路由方法使用树路由，因此减少了突发数据的路由发现的消耗。所以它的开销最校相比较的BOS比ERD和SRD具有最小的开销，因此降低了功耗。因此，它对于低功率IEEE 802.15.4和Zigbee更合适且更有益。
4.ZigBee实现快修维护
有研究关注在下一代的通信系统上，为了满足对具有更高数据速率和增强服务质量的不断增长的需求以及实现ZigBee的快修维护。这种模拟模型背后的想法是由为无线传感器网络构建非常可靠的IEEE 802.15.4 / ZigBee协议模型所触及的。无线传感器网络架构由大量无线传感器节点组成。无线传感器节点是微型电池供电设备，功耗极低，因此适合家电使用，如空调控制器。这些传感器节点是随机分布的。传感器可以充当全功能设备（FFD）或简化功能设备（RFD），至少有一个FFD充当协调器。RFD（终端设备）的主要目标是从周围环境收集数据并将其路由装到具有强大计算能力的协调器，并作为整个网络的网关。历史上，无线网络将移动元件的支持视为额外开销。然而，最近的研究提供了网络可以利用移动元素的手段。特别是在无线网络的情况下，移动元件被有意地构建到系统中以延长ZigBee的寿命，并且充当数据的机械载体。便利网络的移动元素可以在传感器节点附近收集数据。可以使用环境中的现有移动性或者可以将移动元素添加到系统中，其具有可以充电的功能。这自然地避免了多跳并且消除了基站附近的节点的中继开销。已经考虑了移动元件的各种类型的移动性。这些可以大致分为随机，可预测或控制。假设随机行走移动性与网络拓扑，流量和节点的剩余能量无关。那么移动接收器的可预测或固定轨迹是完全确定的，因为接收器始终遵循通过网络的相同路径。在某些情况下，实际选择的路径实际上是由环境中的人为或自然障碍强制执行的。在受控移动性的情况下，接收器的路径成为网络流和节点能量消耗的当前状态的函数，并且它不断调整自身以确保始终最佳的网络性能。大多数研究表明，移动协调器可以更好地选择在网络中形成节点。
当节点是静态的并且如果每个节点能够与其相邻节点通信时，将建立到汇聚节点的路由以及与汇聚节点的关联存在最小延迟。但是如果接收器正在移动，那么普通传感器节点与接收节点可能存在关联问题。决定移动协调器网络性能的主要因素是节点密度和流量。此案例场景所需的两个关键功能是ACK启用和了解ZigBee的范围功能。将终端设备放置得太靠近目标协调器将导致直接发送流量，而不是通过路由器，从而阻止对自我修复功能的观察。此外，还需要ACK启用，以便终端设备识别出路由器中的故障已经发生，不再接收和路由流量，以便触发路由发现。从而使得产品配置与主机分离，避免了更换设引起故障。备因此，通过启用和禁用ACK来获得配置中的不同数量的节点的负载度量。如果由于其他原因必须选择轨迹，则轨迹应该给每条路线提供很长的时间，该路线是网络的一部分的链路路线。当协调器的轨迹变化时，网络的负载可能受到影响。
5.结语
本文具体描述了该产品的三个特征以及ZigBee在空调控制器上的优势。ZigBee支持所有38KHz 标准的红外遥控设备，可在云平台进行采集，给用户带来更加智能化的操作。且系统部分设备故障依然可以完成中继通信，提高了网络的可靠性和容灾性。该产品便于工人快速安装，对工人技术要求降低。相信该产品在推出市面上时，会迎来很大反响。
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论文作者:袁伟璇
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/27
标签：路由论文; 节点论文; 数据论文; 空调论文; 网络论文; 传感器论文; 控制器论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;