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

謝小康++張靖

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(duì)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(wú)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(duì)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(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-04

0 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(lái)，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(duì)家居環(huán)境的監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線智能家居系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)中的各類傳感器對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且用戶可以使用終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(duì)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(guò)終端設(shè)備（如電腦、手機(jī)等）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行本地操控或遠(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(duì)采集到的信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，用戶可通過(guò)電腦、手機(jī)等智能終端進(jìn)行觀測(cè)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(lái)控制家中的熱水器、冰箱、空調(diào)等家用電器設(shè)備。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(lái)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(jiǎn)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，CC2530F32/64/128/256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(jiǎn)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(duì)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(cè)溫元件，并通過(guò)串行接口與微控制器相連來(lái)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(cè)家居環(huán)境[3]。

采用GY-30數(shù)字光模塊對(duì)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(guò)串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(duì)室內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此氣體傳感器探測(cè)范圍廣、感應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。通過(guò)它可以對(duì)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(cè)[4]。本設(shè)計(jì)選用MQ-2氣體監(jiān)測(cè)模塊提供的TTL信號(hào)輸出方式與CC2530通用I/O接口相連接實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(guò)程中，控制器接收到用戶的控制指令后可以通過(guò)輸出模塊來(lái)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(guò)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(guò)終端設(shè)備對(duì)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(hào)碼、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(hào)，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(lái)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(duì)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(duì)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(wú)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(lái)通信。

4.1 ZigBee無(wú)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(wú)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(jiǎn)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ZigBee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(guò)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(duì)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(cè)芯片工作電壓、初始化堆棧、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(lái)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)體為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9 600

uartConfig.flowControl = 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

uartConfig.intEnable = 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 （HAL_UART_PORT_0， &uartConfig）；

}

其中NodeUartCallBack為串口接收回調(diào)函數(shù)，可以通過(guò)此函數(shù)來(lái)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[RBUFSIZE]；

static uint8 rlen = 0；

while （Hal_UART_RxBufLen（port）） //計(jì)算并返回接收緩沖區(qū)的長(zhǎng)度

{

HalUARTRead （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(zhǎng)度超過(guò)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， AF_ACK_REQUEST， 0 ）；

//發(fā)送數(shù)據(jù)

rlen = 0； //緩沖區(qū)清零

}else

rbuf[rlen++] = 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(wú)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(guò)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)。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(guò)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(lái)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(cè)家居環(huán)境的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要采用ZigBee無(wú)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(lái)達(dá)到對(duì)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(cè)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(jiǎn)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。

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