基于ZigBee和紅外技術(shù)智能家居控制系統(tǒng)的研究

王寧　王磊　趙海燕

1 引言

智能家居系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，同時(shí)也是綠色建筑技術(shù)中智能化系統(tǒng)研究的一部分。家居控制系統(tǒng)中軟件相對比較穩(wěn)定，而硬件和通信技術(shù)是直接決定家居控制效率和穩(wěn)定性的主要因素，因此對于硬件和通信技術(shù)的實(shí)踐被廣泛開展，當(dāng)前主要應(yīng)用WiFi技術(shù)比較多，對于ZigBee技術(shù)和CC2530模塊的應(yīng)用研究有限。

ZigBee技術(shù)作為一種新的通信技術(shù)，以其短距離、低功耗和速度快的優(yōu)點(diǎn)迅速得以應(yīng)用，ZigBee采取了IEEE 802.15.4的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)，在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動化和工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，具有廣闊的市場空間。

2 主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)結(jié)合軟硬件開發(fā)平臺對智能家居對象控制技術(shù)進(jìn)行研究并進(jìn)行模擬仿真，圍繞著幾項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行研究：CC2530芯片、紅外模塊、傳感器和繼電器的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用；傳感器和繼電器技術(shù)及其應(yīng)用；ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和射頻芯片應(yīng)用；相關(guān)輔助開發(fā)軟件的應(yīng)用（硬件驅(qū)動和硬件處理軟件、軟件開發(fā)平臺）；圖像處理技術(shù)等。預(yù)期目標(biāo)是以單片機(jī)CC2530嵌入式芯片為控制核心，并利用傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、射頻技術(shù)等設(shè)計(jì)和模擬開發(fā)智能家居控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括三方面。

（1）技術(shù)創(chuàng)新。采用ZigBee技術(shù)和紅外技術(shù)相結(jié)合的方式對硬件進(jìn)行控制，使軟硬件技術(shù)結(jié)合的更加緊密，應(yīng)用更加充分；實(shí)現(xiàn)了電視機(jī)和燈光的控制，結(jié)合多種傳感器，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息并實(shí)時(shí)顯示，并配以閃爍燈和蜂鳴器預(yù)警功能。

（2）應(yīng)用創(chuàng)新。開發(fā)過程中，可以生產(chǎn)有價(jià)值的中間價(jià)。采用VS2012作為開發(fā)平臺，C#作為開發(fā)語言開發(fā)的手機(jī)APP可以作為中間件進(jìn)行學(xué)習(xí)和二次開發(fā)。通過應(yīng)用CC2530模塊、ZigBee技術(shù)、紅外技術(shù)和傳感器等進(jìn)行家居控制的開發(fā)可以對硬件和技術(shù)有更深的認(rèn)識。

（3）理論創(chuàng)新。智能家居的控制可以有多種可行性理論，系統(tǒng)采用CC2530、ZigBee技術(shù)和紅外技術(shù)的組合目前已經(jīng)有所應(yīng)用，但是在開發(fā)過程中，可以進(jìn)行多次試探性實(shí)驗(yàn)，有時(shí)會有意想不到的效果和收獲，這些資料可以保留下來，為繼續(xù)開發(fā)提供參考和開發(fā)靈感。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)分別采用C#和JAVA開發(fā)電腦和手機(jī)APP；采用IAR8.10作為硬件開發(fā)平臺，C語言作為開發(fā)語言，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧程序、仿真器驅(qū)動和USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動、硬件燒寫程序Smartrf Flash Programmer進(jìn)行代碼的開發(fā)和下載更新；系統(tǒng)采用CC2530模塊和紅外模塊，結(jié)合煙霧、人體紅外、溫度、光敏和濕度等多個傳感器，應(yīng)用無線通信技術(shù)ZigBee和WiFi實(shí)現(xiàn)了模塊的連接和信息通信，通過客戶端APP操作平臺，實(shí)現(xiàn)對燈光、溫度、濕度、電視機(jī)和電風(fēng)扇等家居用品進(jìn)行智能控制。最終實(shí)現(xiàn)了對燈光的開關(guān)進(jìn)行無線遙控；動態(tài)采集溫度和濕度并實(shí)時(shí)顯示，若所收集的數(shù)值超過預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)會報(bào)警；通過紅外技術(shù)和無線技術(shù)的結(jié)合，可以通過手機(jī)和電腦實(shí)現(xiàn)對電視機(jī)、機(jī)頂盒和電風(fēng)扇的控制。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。

3.2 家居子對象實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)各個模塊的運(yùn)行過程為：傳感器接到相應(yīng)ZigBee模塊→無線把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊→串口→PC→Socket通信→安卓系統(tǒng)。

（1）燈光控制原理。協(xié)調(diào)器以關(guān)閉的方式建立網(wǎng)絡(luò)→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡(luò)→按終端模塊的S1按鍵，無線發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器→協(xié)調(diào)器收到按鍵信息后，交替亮滅。

（2）溫濕度實(shí)現(xiàn)原理。調(diào)器以廣播的方式建立網(wǎng)絡(luò)→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡(luò)→終端周期性調(diào)用測溫濕度并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器函數(shù)，向協(xié)調(diào)器無線傳送溫濕度數(shù)據(jù)→協(xié)調(diào)器接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，通過串口傳輸給電腦，在電腦界面APP程序中顯示出來。

（3）光敏實(shí)現(xiàn)原理。協(xié)調(diào)器以廣播的方式建立網(wǎng)絡(luò)→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡(luò)→終端周期性調(diào)用測光強(qiáng)并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器函數(shù)，向協(xié)調(diào)器無線傳送光強(qiáng)數(shù)據(jù)→協(xié)調(diào)器接收到光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，通過串口傳輸給電腦，在電腦界面APP程序中顯示出來。

（4）人體紅外實(shí)現(xiàn)原理。人體紅外終端→無線→ZigBee協(xié)調(diào)器→串口→PC界面程序顯示是否有人。

（5）繼電器實(shí)現(xiàn)原理。PC-串口→ZigBee協(xié)調(diào)器→無線→ZigBee終端節(jié)電器開合。

綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

4 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

4.1 芯片選型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)計(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器在無線收發(fā)模塊的協(xié)助下完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與控制、數(shù)據(jù)采集與處理以及ZigBee協(xié)議棧的正常運(yùn)行等工作。經(jīng)過分析，根據(jù)成本與操作可行性等因素選擇了具有微處理器模塊和無線收發(fā)模塊功能的單芯片CC2530。CC2530在網(wǎng)絡(luò)硬件平臺中的功能包括三方面：通過A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過I/O口控制相應(yīng)主機(jī)。另外，傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過I/O口與微處理器相連；通過RS232接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)的通信。為了指示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，在硬件設(shè)計(jì)中加入兩個狀態(tài)指示燈，使用220歐的限流電阻分別接在微處理器芯片的P10和P11口，用于指示設(shè)備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)以方便開發(fā)人員觀察。

4.2 家居對象控制子網(wǎng)的構(gòu)建

4.2.1家居對象主節(jié)點(diǎn)

家居主節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最上層，其功能較為復(fù)雜。一方面它負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的建立，包括系統(tǒng)初始化、地址的分配、網(wǎng)絡(luò)的建立、成員的加入、節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的更新和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表等工作；另一方面，它作為家庭網(wǎng)關(guān)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，完成家庭網(wǎng)關(guān)和家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信。系統(tǒng)上電后，家居主節(jié)點(diǎn)首先選擇一個空閑信道，采集活動節(jié)點(diǎn)的信息，并為其分配一個唯一的節(jié)點(diǎn)編號，完成系統(tǒng)地址表的初始化；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，家居主節(jié)點(diǎn)要與多個設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并對它們進(jìn)行相應(yīng)的控制；家居主節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)狀況的改變，如設(shè)備節(jié)點(diǎn)的拆除和插入，更新、休眠和喚醒等功能以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能。

4.2.2家居對象子節(jié)點(diǎn)

家居對象子節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中作為終端設(shè)備，由ZigBee通信模塊、執(zhí)行器、傳感器和繼電器等共同構(gòu)成。ZigBee模塊在智能家居系統(tǒng)中以無線通信的方式組建網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測一定范圍內(nèi)的環(huán)境狀況、收發(fā)信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的終端對象主要包括環(huán)境燈光控制、溫濕度監(jiān)測、家電控制、控制和報(bào)警信號采集等節(jié)點(diǎn)。設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要包含射頻收發(fā)模塊和傳感以及兩者之間的接口控制，射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信接口，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的無線連接及信息的收發(fā)。系統(tǒng)的終端傳感主要負(fù)責(zé)環(huán)境溫濕度、火災(zāi)或有毒氣體或非法闖入等意外情況的探測和信息采集以及對各種家居的控制。終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)組建完成后即可關(guān)閉收發(fā)器而進(jìn)入節(jié)電模式，開始離線工作，但這并不影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。

4.2.3 ZigBee子網(wǎng)通訊

家居主節(jié)點(diǎn)通過建立起來的ZigBee網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端的家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求幀來查詢或者執(zhí)行命令，指定的家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)收到正確的數(shù)據(jù)幀并完成指定操作之后會自動返回一個應(yīng)答幀告知其執(zhí)行的結(jié)果。為了使設(shè)備能夠識別出發(fā)送給自己的信息的含義，家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)和家居主節(jié)點(diǎn)必須遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議。家居主節(jié)點(diǎn)對家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的操作有兩種，一種是查看設(shè)備節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，另一種是對設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能性的操作。

4.3 家庭網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建

ZigBee無線通信技術(shù)完成了家居對象控制網(wǎng)絡(luò)的組建，但是用戶一旦離開家便無法了解家居對象的狀況和對家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此，家庭網(wǎng)關(guān)充當(dāng)了家庭控制網(wǎng)絡(luò)和外網(wǎng)的接口，它既可以與家庭內(nèi)部的子網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，也可以與外部Internet進(jìn)行通信，它可以將外部網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的控制命令通過家庭內(nèi)網(wǎng)傳遞到相應(yīng)的家居設(shè)備。家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備具有控制接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換兩個主要功能。家庭網(wǎng)關(guān)是由硬件和軟件共同組成，家庭網(wǎng)關(guān)和家居主節(jié)點(diǎn)之間使用串口連接，通過PC支持多種設(shè)備接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)支持，能很方便地實(shí)現(xiàn)控制和網(wǎng)關(guān)功能，還可以根據(jù)實(shí)際需要定制軟硬件和接口，從功能、可靠性和成本等各方面考慮更適應(yīng)智能家居系統(tǒng)。如果傳感器電壓過低，它可能會輸出錯誤信息，因此家庭網(wǎng)關(guān)必須監(jiān)測設(shè)備節(jié)點(diǎn)的電量，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電量低時(shí)應(yīng)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)、拆除該節(jié)點(diǎn)并將相應(yīng)的信息發(fā)送給遠(yuǎn)程控制終端。

5 系統(tǒng)測試及實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)配置注意事項(xiàng)

（1）系統(tǒng)軟件的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境為Win7、64位的電腦，在此基礎(chǔ)上調(diào)試運(yùn)行并打包發(fā)布的，因此若不是此系統(tǒng)配置，需要重新運(yùn)行開發(fā)環(huán)境并進(jìn)行系統(tǒng)配置。

（2）系統(tǒng)開發(fā)的手機(jī)客戶端需要運(yùn)行在Android 2.2以上的版本上。

（3）由于CC2530開發(fā)板的空間問題，多個傳感器（溫度、濕度、煙霧和光敏傳感器）在安裝的時(shí)候需要部分彎曲，要注意力度。

（4）仿真器：硬件的程序需要通過仿真器去連接下載到相應(yīng)的硬件中。

（5）電視機(jī)的機(jī)頂盒和電風(fēng)扇：必須是帶有遙控功能。

（6）安裝IAR8.10、zigbee協(xié)議?！猌stack-251A、Smartrf Programmer、仿真器驅(qū)動Smartrf04EB和USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動等軟件。

5.2 系統(tǒng)測試及結(jié)論

系統(tǒng)測試包括硬件、軟件和通信三部分，系統(tǒng)部分硬件連接圖和整體連接圖，如圖3和圖4所示。硬件連接后開啟網(wǎng)絡(luò)和各個硬件的開關(guān)，經(jīng)過測試實(shí)現(xiàn)了溫濕度、光敏、煙霧和人體紅外信息的實(shí)時(shí)采集和顯示，超出預(yù)設(shè)值蜂鳴器會預(yù)警提示；實(shí)現(xiàn)了電視機(jī)、機(jī)頂盒和風(fēng)扇的開關(guān)音量和風(fēng)力的控制。另外，該系統(tǒng)參加了2015年天津市物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應(yīng)用設(shè)計(jì)競賽并獲得了二等獎。智能家居控制技術(shù)因其昂貴的價(jià)格和后期維護(hù)費(fèi)用一直使人們望而怯步，但隨著人們生活水平的提高，已經(jīng)有一些住宅安裝了家居智能控制系統(tǒng)，并且家居智能化會是將來房地產(chǎn)裝修的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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