ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

魯玉軍+劉振

摘 要：為解決智能家居系統(tǒng)中內(nèi)部通訊存在的功耗過高、節(jié)點較少、覆蓋面積不足等問題，文中提出一種基于家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能家居內(nèi)部通訊系統(tǒng)。該內(nèi)部通訊系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，結(jié)合基于CC2530內(nèi)部芯片的ZigBee無線控制節(jié)點和適合微型控制器開發(fā)研究的μC/OS-II操作系統(tǒng)，最終設(shè)計出一種具有低功耗、低速率、多節(jié)點、覆蓋面廣等集眾多優(yōu)點于一身的智能家居內(nèi)部通訊系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；智能家居；STM32；μC/OS-II

中圖分類號：TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-04

0 引 言

近幾年，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代社會節(jié)奏的加快，人們對于方便快捷高品質(zhì)生活的需求越來越高，智能家居的出現(xiàn)很好的滿足了人們的需求。作為曾經(jīng)熱門的科技話題，智能家居已經(jīng)慢慢走進(jìn)了人們的生活。目前智能家居的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在歐美日韓以及新加坡已趨于規(guī)范。我國雖然智能家居起步較晚，但發(fā)展迅速，據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的《中國智能家居行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告》（2015版）[1]可知，智能家居作為一個新興行業(yè)以一種不可阻擋的態(tài)勢迅速崛起，未來的潛力無可限量。

作為智能家居核心之一的無線通訊將是衡量智能家居產(chǎn)品性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。智能家居的信息交互采用一種通訊方式已經(jīng)不足以完成目前智能家居的目標(biāo)任務(wù)。目前，家庭內(nèi)部與外部的通訊較多采用WiFi或GPRS，且在這方面已有了比較成熟的技術(shù)和豐富的開發(fā)設(shè)計經(jīng)驗。而在家居內(nèi)部的通訊方式上，由于其特殊性，因此要求會更加嚴(yán)格。在智能家居的設(shè)計過程中，其內(nèi)部通訊更需要一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、高安全性、近距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在眾多通訊技術(shù)中，ZigBee通訊技術(shù)無疑最符合這一要求?；诖四康模疚奶岢鲆环N以STM32為主控器，以ZigBee為通訊模式的智能家居內(nèi)部通訊方案。

1 智能家居的整體設(shè)計方案

智能家居作為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型代表，是由控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等眾多技術(shù)集合而成的一種高新產(chǎn)品[2]。整體而言，它主要由控制模塊、通訊模塊、移動終端和家電四個主要部分組成。智能家居整體框架如圖1所示。通過WiFi移動終端的控制界面向控制器發(fā)送控制指令，控制器接到指令后會進(jìn)行相應(yīng)的分析解碼，并通過ZigBee向?qū)?yīng)的家電發(fā)送命令，對應(yīng)家電的控制部分接受到相應(yīng)命令后對家電進(jìn)行操作。與此同時，聯(lián)網(wǎng)的家電傳感器會隨時通過ZigBee把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器在分析解碼后通過WiFi發(fā)送給移動終端，這樣移動終端就可以時時掌握家居電器的狀態(tài)。

2 智能家居內(nèi)部通訊設(shè)計

智能家居內(nèi)部的通訊方式是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。考慮到成本、安全性、距離、便捷性等因素，內(nèi)部通訊方式可以排除有線通訊、WiFi通訊、GPRS通訊等，而比較合適的通訊方式有ZigBee和藍(lán)牙兩種。ZigBee和藍(lán)牙的通訊特點比較見表1所列?？紤]到智能家居內(nèi)部通訊具有復(fù)雜程度低、能耗低、多節(jié)點等要求，因此選擇ZigBee通訊方式。

2.1 整體設(shè)計

智能家居內(nèi)部主要包括主控器部分、ZigBee部分和家電部分，其內(nèi)部框架如圖2所示。其中，主控器主要負(fù)責(zé)對ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并作出相應(yīng)的控制指令，即智能家居的中轉(zhuǎn)站和管理者；ZigBee主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee普通節(jié)點把接收到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，而ZigBee則負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過串口傳送給主控器，所以它是家電和控制器之間的橋梁。

2.2 硬件設(shè)計

智能家居內(nèi)部包括主控器、ZigBee、液晶等部件，本著安全、實用和節(jié)約的原則，文中對這三部分硬件進(jìn)行設(shè)計選材。

2.2.1 主控器

主控器作為智能家居的核心部分，將直接影響整個智能家居的性能?？紤]到擴(kuò)展性問題，主控器選擇了一款功能更加強(qiáng)大的STM32F103 RCT6[3]芯片。該款芯片基于cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器，功能強(qiáng)大，擁有256 K Flash、48K SRAM，3個SPI、5個串口等，對于無線模塊和主控器的串口連接非常有用。此外，該芯片還具有價格低廉、功耗低、市場應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點。如圖3所示為STM32部分原理圖。

2.2.2 ZigBee

ZigBee模塊主要分為節(jié)點和協(xié)調(diào)器兩部分[4]，這兩部分的硬件結(jié)構(gòu)類似，但由于設(shè)計不同，因此讓它們執(zhí)行不同的任務(wù)。節(jié)點主要負(fù)責(zé)接收采集到的家電數(shù)據(jù)并無線傳輸給協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)把從節(jié)點接收的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給控制器；同時協(xié)調(diào)器也會通過串口接受控制器發(fā)送的指令，然后通過無線傳送給節(jié)點，節(jié)點再將接收到的指令進(jìn)行處理后發(fā)送給家電控制模塊以對家電進(jìn)行相應(yīng)操作。

文中選擇了一款主芯片為CC2530[5]的ZigBee模塊。主芯片CC2530具有一個IEEE 802.15.4[6]標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器和RF核心控制模擬無線模塊。此外，它為MCU和無線之間提供的接口使得發(fā)送命令、讀取狀態(tài)、自動操作和對無線事件進(jìn)行排序等得以實現(xiàn)。無線部分還包括數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。此外，ZigBee模塊內(nèi)部含有一個增強(qiáng)型8051CPU，具有8 Kb RAM，系統(tǒng)內(nèi)部可以編程閃存。同時它具有32/64/128/256 Kb四種不同閃存的版本。本文采用閃存為256 K的ZigBee設(shè)備。圖4所示為CC2530部分原理圖。

2.2.3 液晶

雖然智能家居的發(fā)展趨勢是移動終端化，但作為顯示器的液晶同樣不可或缺，它在整個智能家居系統(tǒng)中扮演著輔助應(yīng)急的角色。本文選擇TFT-LCD[7]液晶（薄膜晶體管液晶顯示器）。該款液晶可以有效克服非選通時的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，大大提高了圖像質(zhì)量。此外TFT- LCD具有多種不同屏幕大小和分辨率可供選擇。出于成本和實用性方面的考慮，本文選擇2.8寸的TFT-LCD，該液晶支持65 K色顯示，顯示分辨率為320×240，接口為16位的80并口，自帶觸摸屏。

2.3 軟件設(shè)計

STM32單片機(jī)應(yīng)用非常廣泛，市場開發(fā)也比較成熟，有多種操作系統(tǒng)[8]適合該款單片機(jī)，而μC/OS-II[9]就是一種非常適合的操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)不僅具有可移植、可固化、可裁剪等優(yōu)點，且源代碼開放、整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開發(fā)。

ZigBee模塊主要包括組網(wǎng)和數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。圖5所示為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層[10]的架構(gòu)圖，ZigBee協(xié)議分為兩部分，一部分是由IEEE 802.15.4 定義的 PHY（物理層）和 MAC（介質(zhì)訪問層）技術(shù)規(guī)范；另一部分是由ZigBee聯(lián)盟定義的NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持子層）、APL（應(yīng)用層）技術(shù)規(guī)范。PHY層位于協(xié)議層的最底層，距離硬件最近，能直接控制無線收發(fā)器通信；MAC層為PHY層和NWK層提供接口；NWK層接口負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)形成和路徑選擇；APS和APL層是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的最高協(xié)議層并管理應(yīng)用對象。由于協(xié)議較底下的層與應(yīng)用相互獨立，所以程序部分只需在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)動即可。

IAR是目前市場上應(yīng)用非常普遍的開發(fā)平臺，無論是程序的寫入或仿真都非常方便、快捷，所以選擇IAR作為開發(fā)平臺。此外，選擇DEBUGGER作為燒錄器，不僅可以燒錄程序還可以仿真，大大方便了程序調(diào)試。圖6到圖8所示為CC2530調(diào)試的時序圖。圖9所示為ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖。

3 ZigBee實物圖

ZigBee實物如圖10所示。

4 結(jié) 語

文中設(shè)計的硬件平臺是以STM32為控制芯片，采用μC/OS-II操作系統(tǒng)作為軟件平臺，并結(jié)合ZigBee通訊模塊的智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有低功耗、低速率、多節(jié)點、覆蓋面積廣等優(yōu)點，可以輕松完成智能家居內(nèi)部部件之間的信息交互，使智能家居變得更加安全、便捷和舒適。

參考文獻(xiàn)

[1]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).中國智能家居行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告（2015版）[R].中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)，2015：1-2.

[2]謝永華，裴龍龍，吳彤.物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2015，45（3）：46-49.

[3]周葉平，廖志雄，綦義洪，等.基于STM32 的橋式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].礦山機(jī)械，2016，44（6）：28-30.

[4]包啟明，陳益民，蘇保蘭.基于ZigBee和3G的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2014，22（10）：3171-3173.

[5]黃新波，羅兵，劉存孝，等.采用ZigBee芯片的無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實現(xiàn)[J].高電壓技術(shù)，2010，36（8）：1962-1969.

[6]居征宇，喻劍.面向無線體域網(wǎng)的低功耗多頻道 Mac協(xié)議[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2016，37（1）：78-82.

[7]張旭，張紅娟，靳寶全，等.基于MST703的TFT-Lcd驅(qū)動方案研究與設(shè)計[J].電子器件，2015，38（6）：1268-1272.

[8]康鵬，劉從新，沈緒榜.一種基于分組的多核嵌入式實時調(diào)度算法[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2016，33（10）：32-35.

[9]胡平平，王晶杰.cM3上uc/OS-II任務(wù)切換和通信機(jī)制的應(yīng)用[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，29（5）：36-40.

[10]齊立磊，王超.基于ZigBee的礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2013，34（9）：257-259.