基于ZigBee和ARM9的智能家居系統(tǒng)
——硬件設(shè)計(jì)

劉順財(cái)

（福州理工學(xué)院 工學(xué)院，福建 福州 350014）

隨著ARM嵌入式的發(fā)展，無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，目前比較成熟的無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括藍(lán)牙、紅外線、RFID、WiFi以及ZigBee等無線技術(shù)。而ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)前很成熟的技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域都具有很廣泛的應(yīng)用。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很好的自動(dòng)組網(wǎng)、安全性、可靠性，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量、功耗、成本以及復(fù)雜度等方面更有優(yōu)勢(shì)［1］。因此，如何把ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)成為了近幾年的熱門課題。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以CC2530芯片為核心控制器件，通過電路實(shí)現(xiàn)路由器、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的功能。在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)溫度、光照強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，燈光、電器和電動(dòng)窗簾控制以及通過人體紅外監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)防盜功能。

因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)下具有很好的軟硬件可裁的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的靈活性。在ARM9上移植Linux操作系統(tǒng)和MJPG-streamer視頻服務(wù)器。通過USB攝像頭進(jìn)行視頻采集，連接WiFi模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，從而對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)由智能家居系統(tǒng)ARM9網(wǎng)關(guān)、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)和Android客戶端三部分組成。其中各種類型的家居設(shè)備連接到ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椴煌膫鞲衅骺梢詫?shí)現(xiàn)不同的功能，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境。ARM9網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的交通樞紐，它通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。Android客戶端通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者WiFi與ARM9聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)Android客戶端控制ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，達(dá)到通過Android手機(jī)對(duì)智能家居進(jìn)行檢測(cè)和控制?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)由ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、ARM9網(wǎng)關(guān)和Android客戶端部分組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)有三部分：一個(gè)協(xié)調(diào)器、一個(gè)路由器和四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備組［2］。各個(gè)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件模塊主控芯片是CC2530芯片，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器與ARM9網(wǎng)關(guān)通過串口建立連接；ARM9網(wǎng)關(guān)采用S3C2440A處理器作為主控制芯片，在此基礎(chǔ)上移植Linux操作系統(tǒng)，通過USB攝像頭和WiFi模塊實(shí)現(xiàn)ARM9網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能；通過Android客戶端上的應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)訪問ARM9網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的監(jiān)測(cè)和控制。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 ZigBee模塊硬件

核心電路板CC2530芯片集成了是8051CPU內(nèi)核。它是ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心芯片。它的供電電源是3.3V，可以通過CC2530芯片控制指示燈、RF電路、各種傳感器、驅(qū)動(dòng)U2003芯片等。它的硬件電路圖如圖3所示。

圖3 核心CC2530系統(tǒng)電路

ZigBee硬件模塊采用CC2530芯片作為核心控制芯片，外圍需要電源供電、擴(kuò)展USB轉(zhuǎn)串口、LED指示燈和RF模塊等電路，因?yàn)閆igBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)智能家居的監(jiān)測(cè)與控制，所以連接不同的傳感器模塊單元。

CC2530芯片工作電壓是直流2～3.6V。通常我們采用5V電源或者USB線進(jìn)行供電，所以選用REG1117-3.3穩(wěn)壓芯片降壓之后再給CC2530芯片供電。此外這邊通過J1進(jìn)行擴(kuò)展，這樣以后別的硬件用到5V或者地可以直接通過這邊的插針進(jìn)行連接。整個(gè)電源通過ON開關(guān)進(jìn)行控制。具體電源電路如圖4所示：

圖4 電源電路圖

為了調(diào)試、下載程序，需要CC2530芯片和電腦進(jìn)行通信。而CC2530芯片的串口通信協(xié)議電壓和USB協(xié)議電壓不一樣，所以需要CH340芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。USB轉(zhuǎn)串口電路如圖5所示：

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路

LED指示電路是用來顯示當(dāng)前電路不同的工作狀態(tài)，與CC2530芯片相連，其中D4是指示電源接通與否，D1、D2是用戶自行定義，D3是指示連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功與否。電路如圖6所示：

圖6 LED指示電路

在ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中的需要用到無線天線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，所以天線電路的質(zhì)量十分重要。它關(guān)系到ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中通信距離、通信質(zhì)量、系統(tǒng)功耗等指標(biāo)。相比傳統(tǒng)天線，SMA接口在上述方面更好更穩(wěn)定。RF電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 RF電路

2.2 傳感器模塊單元硬件

通過ZigBee組網(wǎng)上的不同傳感器模塊，可以實(shí)現(xiàn)溫度、光照強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，燈光、電器和電動(dòng)窗簾控制以及通過人體紅外監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)防盜功能。傳感器電路如圖8所示。

圖8 傳感器模塊電路

溫度傳感器選擇DS18B20芯片，它可以測(cè)量環(huán)境中-55°C～+125°C的溫度范圍。它具有不同位數(shù)的分辨率，系統(tǒng)選擇默認(rèn)的12位分辨率，硬件上把它和CC2530芯片的P0.0引腳連接。

系統(tǒng)選擇MQ-2芯片作為煙霧傳感器，可以有效的檢測(cè)出液化氣、煤氣、天然氣。它的工作原理是當(dāng)氣體濃度增加時(shí)，電導(dǎo)率增大。根據(jù)物理公式可知：電阻和電導(dǎo)率成反比，而電壓和電阻成正比，所以可以知道電壓的大小和氣體濃度成反比。電路上采用MQ-2模擬電壓輸出端和CC2530芯片的P0.6引腳連接。

當(dāng)在夜間或者家中無人的情況下，為了實(shí)時(shí)檢測(cè)屋內(nèi)的安全，在系統(tǒng)當(dāng)中搭載了人體紅外傳感器。選用HC-SR501作為人體紅外傳感器，達(dá)到當(dāng)檢測(cè)到有非法進(jìn)入的人時(shí)，發(fā)出警報(bào)并提醒用戶。因?yàn)槿梭w會(huì)向外產(chǎn)生紅外線，而HC-SR501可以檢測(cè)出紅外線，所以它適用于工作在不同的檢測(cè)人體場(chǎng)合。當(dāng)它接收到人體紅外線后，會(huì)對(duì)外釋放電荷，輸出高電平信號(hào)。它需要干電池提供電源，具有靈敏度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電路上采用HC-SR501輸出端和CC2530芯片的P0.7引腳連接。

系統(tǒng)選用5516光敏電阻，通過光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)控制窗簾的升降。白天光照強(qiáng)度大，需要打開窗簾實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，當(dāng)晚上的時(shí)候，因?yàn)楣庹諒?qiáng)度比較小時(shí)候，則關(guān)閉窗簾從而讓用戶休息。因光敏電阻阻值和光照成反比，而電壓和電阻成正比，所以通過測(cè)量?jī)啥说碾妷捍笮【涂梢灾拦庹諒?qiáng)度。電路上采用光敏電阻5516輸出端和CC2530芯片的P0.1引腳連接。

選擇匯科HK繼電器HK4100F-DC5V-SHG來控制家用電器。當(dāng)智能家居環(huán)境發(fā)生異常的時(shí)（例如住宅起火或者瓦斯泄漏），系統(tǒng)需要啟動(dòng)保護(hù)措施，及時(shí)的切斷家用電器的電源。電路上采用中繼電器和CC2530芯片的P0.5引腳連接。

窗簾的升降是通過步進(jìn)電機(jī)來控制的，早上的時(shí)候通過步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)來控制窗簾的打開；晚上的時(shí)候通過步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)來控制窗簾的關(guān)閉。系統(tǒng)選用四相步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48。它有5根接線，藍(lán)線是D相、粉線是C相、黃線是B相、橙線是A相、紅線接5V電源。因?yàn)镃C2530芯片的驅(qū)動(dòng)電流比較小，所以需要用CC2530芯片的P1.7、P1.6、P1.5、P1.4四個(gè)I/O口連接ULN2003芯片進(jìn)行功率放大［3］，再接28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)。其中ULN2003芯片是由7個(gè)NPN三極管組成，輸入5V電平，輸出500mA/50V，正好可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。電路如圖9所示。

圖9 ULN2003驅(qū)動(dòng)電路

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件

智能家居ARM9網(wǎng)關(guān)采用S3C2440處理器作為核心器件，通過使用USB Host電路和串口電路，連接USB攝像頭和WIFI模塊實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)的功能。S3C2440處理器有UART0、UART1和UART2三個(gè)串口，都是TTL電平。系統(tǒng)把ARM9網(wǎng)關(guān)的UART1接收（RXD1）引腳、發(fā)送引腳（TXD1）分別與ZigBee協(xié)調(diào)器串口的發(fā)送（TXD）引腳、接收（RXD）引腳相連；實(shí)現(xiàn)ARM9網(wǎng)關(guān)和ZigBee協(xié)調(diào)器的串口通信。為了使用方便，采用MAX3232芯片對(duì)UART0串口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口讓ARM9與WiFi模塊通信，具體電路如圖10所示。

圖10 WiFi模塊接口電路

系統(tǒng)使用谷客HD10作為攝像頭，它支持UVC協(xié)議接口。在Linux系統(tǒng)下是免驅(qū)動(dòng)的，最高分辨率640×480，最高可以支持30幀視/每秒的視頻圖像采集，輸出YUV格式的圖像。YUV格式是USB Org標(biāo)準(zhǔn)之一。V4L2接口是針對(duì)USB攝像頭開源的驅(qū)動(dòng)程序［4］，它可以實(shí)現(xiàn)USB攝像頭進(jìn)行圖像采集。當(dāng)USB攝像頭連接到USB Host接口時(shí)，在超級(jí)終端中可以看到系統(tǒng)多了一個(gè)主設(shè)備號(hào)是81的/dev/video0設(shè)備文件。USB攝像頭和S3C2440處理器通過USB Host接口相連接，電路如圖11所示。

圖11 USB Host接口電路

系統(tǒng)采用無線的WiFi模塊［5］進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，具有很好的可移?dòng)性和組網(wǎng)靈活性，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)采用BL-150UA無線網(wǎng)卡，它支持WPA/WPA2加密與64/128位WEP數(shù)據(jù)加密，采用分離式的天線設(shè)計(jì)，提供更穩(wěn)定更強(qiáng)的信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于ZigBee和ARM9的智能家居系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作，并且可以準(zhǔn)備的實(shí)現(xiàn)無線通訊?？梢酝ㄟ^安卓手機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度、光照強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，燈光、電器和電動(dòng)窗簾控制以及通過人體紅外監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)防盜功能。

本系統(tǒng)由Android客戶端、ARM9網(wǎng)關(guān)和ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)溫度、光照強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，燈光、電器和電動(dòng)窗簾控制以及通過人體紅外監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)防盜功能。最終結(jié)果顯示，基于ZigBee和ARM9的智能家居系統(tǒng)不僅功耗低且具有很高的穩(wěn)定性、可靠性；ARM9嵌入式處理器具有軟硬件可裁的特點(diǎn)讓開發(fā)過程具有很高的靈活性；而Android手機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)前主流的操作系統(tǒng)具有很高的普遍性，適合當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境。