基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)核心控制模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片內(nèi)部集成了適應(yīng)2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器，滿足系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)的要求且性價(jià)比極高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用溫濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、氣體傳感器對家居環(huán)境信息進(jìn)行采集，并結(jié)合GSM移動(dòng)通信技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微控制器實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的信息交流，以達(dá)到對家居生活的智能化控制。關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2530；GSM；傳感器中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-

2、040 引 言隨著信息時(shí)代的發(fā)展，智能化設(shè)備已成為人們生活中不可缺少的一部分。而智能家居作為信息時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，其主要利用信息傳感設(shè)備將家居生活中相關(guān)的各子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，并與互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)相連實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間信息的交流和對家居環(huán)境的監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的無線智能家居系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，通過系統(tǒng)中的各類傳感器對家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并且用戶可以使用終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對家用電器的遠(yuǎn)近程操控，極大地提高了家居生活的安全性和舒適性。1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并與微控制器、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊相結(jié)合對整個(gè)家居環(huán)境進(jìn)行智能化監(jiān)控。同時(shí)，用戶可以通過終端設(shè)備（如電腦、手機(jī)等）對系統(tǒng)進(jìn)行本

3、地操控或遠(yuǎn)程操控。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。在家居環(huán)境中需要監(jiān)控的位置設(shè)立采集節(jié)點(diǎn)，這些采集節(jié)點(diǎn)在ZigBee協(xié)議下組建內(nèi)部自組織網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)包含家用電器設(shè)備、傳感器等，由ZigBee模塊下的CC2530芯片對采集到的信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，用戶可通過電腦、手機(jī)等智能終端進(jìn)行觀測和控制。采用CC2530芯片中的USART串行通信接口，在ZigBee通信協(xié)議下實(shí)現(xiàn)各采集節(jié)點(diǎn)與CC2530芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸【1】。同時(shí)在CC2530與用戶終端設(shè)備之間采用WiFi和GSM網(wǎng)絡(luò)并與USART串行通信接口相結(jié)合進(jìn)行信息交流，用戶可以使用終端設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制家中的熱水器、冰箱、空調(diào)等家用電器設(shè)備

4、。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制器與終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)上傳和指令下達(dá)。用戶可以根據(jù)自身需求來設(shè)置采集模塊的采樣頻率和輸出模塊的參數(shù)值，提高控制器的控制精度，改善家居環(huán)境的安全性和舒適性，創(chuàng)造更好的家居生活。2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有建立完善的硬件結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)才能穩(wěn)定、準(zhǔn)確的運(yùn)行。在此采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面可以簡化其配置、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、提高硬件的質(zhì)量和可靠性；另一方面模塊的不同組合能夠滿足用戶的多樣性需求。2.1 ZigBee控制模塊ZigBee控制模塊的核心是CC2530芯片，該芯片集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8051微控制器內(nèi)核。同時(shí)，它還具有四種不同的閃存版本，CC2530F32/6

5、4/128/256分別具有32/64/128/256 KB閃存，這為設(shè)備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲(chǔ)器，映射到CODE和XDATA存儲(chǔ)空間，以后可以隨時(shí)利用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。CC2530具有主動(dòng)模式、空閑模式、睡眠模式三種電源管理模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530擁有一套廣泛的外設(shè)集，包括8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個(gè)通用I/O接口，2個(gè)USART接口，128位AES加密解密安全協(xié)議處理器，看門狗定時(shí)器，32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器等，因此只需要很少的外圍電路即可構(gòu)建一個(gè)簡單的ZigBee節(jié)點(diǎn)【2】。同時(shí)每個(gè)連接到CC2530通用I/O接口的外設(shè)可以選擇兩個(gè)不

6、同的I/O引腳位置，以確保其在不同應(yīng)用程序中的靈活性。2.2 數(shù)據(jù)采集模塊在該系統(tǒng)中溫濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、氣體傳感器均屬于數(shù)據(jù)采集模塊，其作用是采集溫濕度、光照強(qiáng)度、可燃?xì)怏w濃度等信息。采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對室內(nèi)外溫濕度信息進(jìn)行采集，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并通過串行接口與微控制器相連來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，具體應(yīng)用電路如圖2所示。同時(shí)該傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、超快響應(yīng)、超小體積、極低功耗、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于監(jiān)測家居環(huán)境【3】。采用GY-30數(shù)字光模塊對光照強(qiáng)度信息進(jìn)行采集，其分光特性和光譜范圍與人眼十分相近，且傳感器內(nèi)置16 bitA/D轉(zhuǎn)換器，通過串

7、口與微控制器相連接可以直接進(jìn)行數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算和標(biāo)定。具體應(yīng)用電路如圖3所示。采用靈敏度與穩(wěn)定性都較好的MQ-2氣體傳感器對室內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測，此氣體傳感器探測范圍廣、感應(yīng)速度快、壽命長且驅(qū)動(dòng)電路簡單。通過它可以對甲烷、丙烷、丁烷、乙醇、一氧化碳等常見的可燃?xì)怏w進(jìn)行靈敏監(jiān)測【4】。本設(shè)計(jì)選用MQ-2氣體監(jiān)測模塊提供的TTL信號輸出方式與CC2530通用I/O接口相連接實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳。具體應(yīng)用電路如圖4所示。2.3 數(shù)據(jù)輸出模塊數(shù)據(jù)輸出模塊主要由繼電器及光耦合器構(gòu)成，設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)接線端作為輸入端，將另外兩個(gè)接線端作為輸出端，中間采用光耦合器實(shí)現(xiàn)輸入輸出電隔離的高性能固態(tài)繼電器，該

8、繼電器具有功率小、靈敏度高、可靠性高等特點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，控制器接收到用戶的控制指令后可以通過輸出模塊來控制家用電器設(shè)備（如冰箱、空調(diào)、熱水器等）工作或驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置。3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)模塊和終端模塊。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)以及GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息交流，主機(jī)模塊可以將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)分析、處理后反饋給用戶，同時(shí)用戶也可以通過終端設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。3.1 主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)主機(jī)模塊的功能主要是根據(jù)接收到的用戶指令做出相應(yīng)控制，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端，具體程序流程圖如圖5所示。初始化后，系統(tǒng)會(huì)提示用戶設(shè)置手機(jī)號碼、

9、控制參數(shù)值等，并將這些信息存儲(chǔ)到CC2530芯片之中。用戶配置完成后，主機(jī)模塊會(huì)連上WiFi網(wǎng)絡(luò)，并向GSM模塊發(fā)送握手信號，實(shí)現(xiàn)GSM聯(lián)網(wǎng)。各模塊握手成功后，主機(jī)模塊開始接收來自WiFi和GSM網(wǎng)絡(luò)的用戶指令，當(dāng)接收到用戶指令時(shí)，主控芯片會(huì)將其處理后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制模塊，同時(shí)把接收到的采集模塊的數(shù)據(jù)（如溫濕度、可燃?xì)怏w濃度等）發(fā)送到用戶終端。3.2 終端模塊軟件設(shè)計(jì)終端模塊的程序流程圖如圖6所示。終端模塊初始化后，與主機(jī)模塊握手，握手成功后，程序會(huì)提示用戶是否對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。若直接控制，則用戶可直接發(fā)送指令到主控模塊以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制；若不直接控制，則程序會(huì)進(jìn)入接收主機(jī)模塊指令狀態(tài)。當(dāng)接

10、收到主機(jī)模塊指令時(shí)，程序會(huì)將其解析后反饋給用戶，然后用戶可以根據(jù)得到的信息發(fā)出相應(yīng)的控制指令。4 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各采集節(jié)點(diǎn)與微控制器之間利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交流，而微控制器和用戶終端設(shè)備之間則利用WiFi和GSM網(wǎng)絡(luò)來通信。4.1 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4.1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)概述ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它具有功耗低、成本低、復(fù)雜度低、可靠性高、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)ZigBee支持星狀、簇狀、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)【5】。在此設(shè)計(jì)中將采用復(fù)雜度較低，控制簡單的星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖7所示。在Zig

11、Bee通信協(xié)議下，各ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息采集和數(shù)據(jù)傳輸，并最終把采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到微控制器中進(jìn)行統(tǒng)一處理，以實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的智能監(jiān)控。家居監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖8所示。4.1.2 ZigBee協(xié)議棧ZigBee網(wǎng)絡(luò)中使用由TI公司開發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧是一個(gè)基于輪轉(zhuǎn)查詢式的操作系統(tǒng)?？傮w而言，Z-Stack協(xié)議棧做了兩方面工作，一是系統(tǒng)初始化，另一方面是開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)實(shí)體。協(xié)議棧主要工作流程圖如圖9所示。系統(tǒng)初始化是指系統(tǒng)啟動(dòng)代碼需要完成初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作。主要分為初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、檢測芯片工作電壓、初始化

12、堆棧、初始化各硬件模塊、初始化Flash存儲(chǔ)、形成芯片MAC地址、初始化非易失變量、初始化MAC層協(xié)議、初始化應(yīng)用幀層協(xié)議、初始化操作系統(tǒng)等十余部分。啟動(dòng)操作系統(tǒng)是指系統(tǒng)初始化為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作后，開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并由此徹底將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。啟動(dòng)操作系統(tǒng)實(shí)體只有一行代碼：osal_start_system（）；其功能在于不斷查詢每個(gè)任務(wù)是否有事件發(fā)生，若有，則執(zhí)行相應(yīng)的操作；若沒有，則查詢下一個(gè)任務(wù)【6】。4.1.3 ZigBee串口通信ZigBee串口通信主要是實(shí)現(xiàn)各終端設(shè)備與主控模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。在ZigBee協(xié)議棧中串口通信的配置使用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)體為

13、halUARTCfg_t。當(dāng)ZStack協(xié)議棧成功啟動(dòng)后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)調(diào)用節(jié)點(diǎn)串口的初始化函數(shù)NodeUartInit（），NodeUartInit（）函數(shù)將把halUARTCfg_t類型的結(jié)構(gòu)體變量作為相關(guān)參數(shù)，具體配置方法如下：/* 節(jié)點(diǎn)串口初始化*/void NodeUartInit（void）halUARTCfg_t uartConfig； /halUARTCfg_t類型的結(jié)構(gòu)體變量/* 串口配置*/uartConfig.configured = TRUE；uartConfig.baudRate = HAL_UART_BR_9600； /設(shè)置波特率為9 600uartConfig.flo

14、wControl = FALSE；uartConfig.rx.maxBufSize = 128； /最大接收緩沖區(qū)大小uartConfig.tx.maxBufSize = 128； /最大發(fā)送緩沖區(qū)大小uartConfig.flowControlThreshold = （128 / 2）；uartConfig.idleTimeout = 6； /空閑超時(shí)時(shí)間uartCEnable = TRUE； /允許中斷uartConfig.callBackFunc = NodeUartCallBack； /設(shè)置串口接收回調(diào)函數(shù)/* 打開串口，完成初始化的工作*/HalUARTOpen （

15、HAL_UART_PORT_0， &uartConfig）；其中NodeUartCallBack為串口接收回調(diào)函數(shù)，可以通過此函數(shù)來處理從串口接收到的數(shù)據(jù)，其代碼解析如下：/* 串口接收回調(diào)*/void NodeUartCallBack （ uint8 port， uint8 event ）#define RBUFSIZE 128（void）event； /故意不引用的參數(shù)，作保留用uint8 ch；static uint8 rbuf；static uint8 rlen = 0；while （Hal_UART_RxBufLen（port） /計(jì)算并返回接收緩沖區(qū)的長度HalUARTRe

16、ad （port， &ch， 1）； /從串口讀一個(gè)數(shù)據(jù)HalUARTWrite （port， &ch， 1）； /從串口寫一個(gè)數(shù)據(jù)if （rlen = RBUFSIZE） rlen = 0； /數(shù)據(jù)長度超過最大接收緩沖大小，則緩沖區(qū)清零if （ch = r） /如果讀到回車字符HalLedSet（ HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_OFF ）； /關(guān)閉LED燈HalLedSet（ HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_BLINK ）； /使LED燈閃爍zb_SendDataRequest（ 0， ID_CMD_REPORT， rlen， rbuf， 0

17、， AF_ACK_REQUEST， 0 ）；/發(fā)送數(shù)據(jù)rlen = 0； /緩沖區(qū)清零elserbuf = ch； /將數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)4.2 WiFi/GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選用WiFi和GSM網(wǎng)絡(luò)為主機(jī)和手機(jī)終端與ZigBee模塊之間的信息傳遞提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。遠(yuǎn)近程操控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。WiFi是一種基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快，非常適合在智能家居系統(tǒng)中運(yùn)用。在此設(shè)計(jì)中，WiFi模塊可以通過ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)互相傳遞。GSM是一種網(wǎng)絡(luò)容量大，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗低的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

18、。設(shè)計(jì)中采用的是一款雙頻900 / 1 800 MHz高度集成的GSM模塊TC35i，該模塊可以通過RS 232通訊接口與CC2530中的USART串行通信接口相連接，并運(yùn)用AT指令操作來實(shí)現(xiàn)用戶移動(dòng)終端與家居系統(tǒng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞【7】。從而達(dá)到用戶遠(yuǎn)程操控家居設(shè)備，監(jiān)測家居環(huán)境的效果。5 結(jié) 語文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化，并結(jié)合微控制器和各種傳感設(shè)備來達(dá)到對家居環(huán)境的智能化控制效果。運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和兼容性都比較強(qiáng)，同時(shí)用戶可以遠(yuǎn)近程監(jiān)測家居環(huán)境和操控家中的電器設(shè)備，進(jìn)一步改善用戶的居住條件，使家居生活變得更加安全、舒適。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，具有低成本、低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，十分適合在現(xiàn)代智能家居中使用。參考文獻(xiàn)【1】劉世偉，邱玉泉，韓均雷，等.基于STM32微控制器的無線智能家居監(jiān)控系統(tǒng).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（3）：15-16.【2】章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)