基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭元甫

摘要：隨著人們生活水平的提高及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于家居環(huán)境提出了更高的要求，智能家居也就應(yīng)運(yùn)而生，人們希望能通過各種家居設(shè)備來享有更加舒適，便捷的居住環(huán)境。

傳統(tǒng)家居設(shè)備的控制信息傳輸主要靠布線技術(shù)，不但系統(tǒng)升級麻煩，且成本過高，實(shí)際的應(yīng)用效果也不明顯，并沒有很大的改善人們的生活。ZigBee的出現(xiàn)使的這一現(xiàn)象得到有效的應(yīng)解，ZigBee是一種低成本、低功耗無線通信技術(shù)，它的自組網(wǎng)技術(shù)可以方便的使家中的各種設(shè)備組成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)，信息傳送的可靠性也極高。使用ZigBee作為家居內(nèi)網(wǎng)可以方便的對家電進(jìn)行控制和對安防預(yù)警信息進(jìn)行采集。

本文首先介紹了智能家居的研究背景和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對ZigBee技術(shù)進(jìn)行介紹，比較詳細(xì)的介紹了ZigBee協(xié)議框架中各層次扮演的角色及特點(diǎn)，并對ZigBee技術(shù)在智能家居中內(nèi)部組網(wǎng)技術(shù)的適用性作了比較分析。最后綜合講解了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)功能及特色等。集中控制端在個(gè)人PC機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)，與之構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制端有Windows和Linux端，他們之間采用面向連接的Socket加密通信。家居內(nèi)網(wǎng)采用基于CC2530的SoC建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)調(diào)器為核心節(jié)點(diǎn)，組合其他設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行家居網(wǎng)內(nèi)信息的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)家電控制和溫度、濕度、入侵等安防信息采集。同時(shí)設(shè)計(jì)便捷、易用的軟件界面，既可以在家中使用，也可以在任何有網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。測試表明：使用遠(yuǎn)程控制端或集中控制端都能可靠的對家電進(jìn)行控制和安防信息的采集，系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：ZigBee 智能家居家居內(nèi)網(wǎng)多方式控制

在現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的時(shí)代下，人們的生活質(zhì)量也在不斷提升，對于生活的安全舒適、便捷方面的需求也在逐漸增高，在家庭住宅觀念不斷優(yōu)化的理念指引下，智能家居成為了未來住宅的發(fā)展趨勢和方向，為此，需要研究和開發(fā)低功耗、低成本、易于組網(wǎng)和維護(hù)的智能家居控制系統(tǒng)，以自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出以物聯(lián)網(wǎng)為背景的智能家居控制系統(tǒng)，成為新一代生活家居的引領(lǐng)者。

一、AigBee技術(shù)綜述

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，它介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間，依照自己的標(biāo)準(zhǔn)，在微小的傳感器之間傳遞和協(xié)調(diào)各種信息，它是基于IEEE802.15.4低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的ZigBee規(guī)范，具有性能要求不高、緊湊簡單的優(yōu)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層的架構(gòu)下，可以最大程度地滿足其需求，它彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信的空白，重點(diǎn)在于其豐富而快捷的應(yīng)用。

二、ZigBee智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、總體框架平臺設(shè)計(jì)

ZigBee智能家居系統(tǒng)平臺由硬件平臺和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，在兩者相協(xié)調(diào)的框架之下，實(shí)現(xiàn)快速而高效的ZigBee節(jié)點(diǎn)開發(fā)和設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境主要采用EW，集成C/C++的交叉編譯和調(diào)試，支持ARM微處理器，在高效安全的可執(zhí)行代碼之下，實(shí)現(xiàn)多級優(yōu)化，從而達(dá)到速度和代碼尺寸的均衡。在其軟件系統(tǒng)中，集成了內(nèi)核識別插件，可以對各個(gè)運(yùn)行任務(wù)的信號燈、郵箱、隊(duì)列、事件標(biāo)志等信息，進(jìn)行全面而細(xì)致的了解。在該系統(tǒng)中，主要是按照項(xiàng)目進(jìn)行管理，可以給項(xiàng)目添加文件，并在程序項(xiàng)目設(shè)計(jì)之前，要對工程環(huán)境進(jìn)行高效的、個(gè)性化的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)與需求相契合的控制目標(biāo)。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

智能家居系統(tǒng)以其先進(jìn)性和實(shí)用性，為人們提供舒適、高效的生活環(huán)境，具有良好的開放性特征，其設(shè)計(jì)方案主要是采用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入Internet和短消息的方式，對電腦終端進(jìn)行控制，還可以通過手機(jī)移動終端操控的方式，對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，用戶可以隨時(shí)根據(jù)自己的需要對家中各個(gè)設(shè)備、環(huán)境狀況等進(jìn)行查看，彌補(bǔ)了地域限制等問題。在ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行局域網(wǎng)的組網(wǎng)，通過家居控制器，融合室內(nèi)局域網(wǎng)和外網(wǎng)GSM，該系統(tǒng)主要包括傳感器信號采集模塊、家電端控制模塊、總控制器等，由傳感信號采集信息，并對信號進(jìn)行分析，確定其是否達(dá)到預(yù)定報(bào)警值，一旦超出預(yù)定值，則給傳遞報(bào)警信號給總控制器，總控制器在分辨?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)位置的前提下，通過相應(yīng)算法，進(jìn)行選擇操作，在智能處理的方式下，以短信息的方式通知主人，主人可以及時(shí)通過移動終端對家居狀況進(jìn)行查看和了解。具體結(jié)構(gòu)主要為：（1）安防子網(wǎng)。這個(gè)子網(wǎng)中包涵四大基礎(chǔ)模塊，即：溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、煤氣檢測模塊、人體紅外感應(yīng)模塊。（2）燈控子網(wǎng)。在這個(gè)子網(wǎng)之中，主要有燈控制模塊和窗簾控制模塊。（3）總控制器。這是由ZigBee通信模塊、主控芯片、GPRS等構(gòu)成。（4）遠(yuǎn)程終端。這是用戶的移動接收方式，較為簡單，可以進(jìn)行信息的及時(shí)接收和控制。

基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的主要功能，具體包括如下內(nèi)容：（1）煤氣泄露監(jiān)測。在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通過煤氣傳感器監(jiān)視的狀態(tài)下，當(dāng)煤氣濃度達(dá)到一定的危險(xiǎn)值時(shí)，可以將煤氣泄露信號傳遞到總控制器模塊之中，系統(tǒng)會立即切斷煤氣閥門，通過GSM網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到用戶的移動終端設(shè)備上。（2）防盜報(bào)警監(jiān)控。在家居環(huán)境受到非法入侵時(shí)，如：家中玻璃碎裂、門窗遭受意外入侵等，傳感器可以瞬間檢測到警情，并將信號傳遞給總控制器，并在GSM網(wǎng)絡(luò)下將短消息傳達(dá)到用戶手中，進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)地防范家中財(cái)產(chǎn)的損失。（3）火災(zāi)監(jiān)測。系統(tǒng)的室內(nèi)感溫探測器可以監(jiān)控到家居環(huán)境中的火災(zāi)隱患，當(dāng)檢測到火災(zāi)的存在時(shí)，及時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)將信號傳遞到用戶手中，進(jìn)行報(bào)警。（4）病人心電監(jiān)護(hù)。對病人的各項(xiàng)生命體征指標(biāo)如：血壓、心率等，通過監(jiān)護(hù)器將信息傳遞給總控制器，再以短消息的方式傳達(dá)給主人，對家中的病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

三、ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的調(diào)試

1、PCB設(shè)計(jì)調(diào)試

對PCB軟件的設(shè)計(jì)軟件采用Protel ，它依據(jù)改進(jìn)型的布線規(guī)則，如：最短走線、水平、垂直等，同時(shí)，優(yōu)化了內(nèi)部算法，極大地提升了布線的成功率，避免了短路或網(wǎng)絡(luò)混亂的現(xiàn)象

2、GSM模塊軟件調(diào)試

在電腦端要對模塊進(jìn)行測試，將模塊通過串口連接的方式，與計(jì)算機(jī)相連接，打開調(diào)試軟件，并輸入命令，在模塊正常啟動之后，檢測網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量，進(jìn)行電話呼入的測試，確定與GSM通信所契合的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，以幀格式為依據(jù)進(jìn)行編程。

3、ZigBee模塊軟件調(diào)試

這主要采用Chipcon的基于cc2430的開發(fā)套件，將協(xié)調(diào)器端程序進(jìn)行下載，在協(xié)調(diào)器商端初始化的狀態(tài)下，與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行測試。

總之，基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)在硬件和軟件系統(tǒng)相結(jié)合的環(huán)境下，可以方便的對家電進(jìn)行控制和對安防預(yù)警，并且測試表明：智能家居系統(tǒng)使用遠(yuǎn)程控制端或集中控制端都能可靠的對家電進(jìn)行控制和安防信息的采集，系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足用戶的需求。

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