基于Zigbee的智能家居控制系統的設計

王 超，高 峰，姜 洋(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

現代科技的發展驅使人們尋求更加簡便更加快捷的生活方式。運用Zigbee技術和網絡技術可將家中所有的可控部件集中在一個觸屏控制板上進行控制，所用的Zigbee是一種高可靠性的無線數據傳輸網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站，支持無限擴展。同時，Zigbee具有低功耗、低成本、抗干擾、易組網的優點[1]。筆者基于具有Zigbee無線傳輸技術的CC2430和STM32芯片，通過觸摸屏控制板實現對家里的安防報警、室內溫度和照明燈具、家用電器的控制。因為系統由自己開發，具有可擴展性和個性化，控制方便，更加貼近用戶需求等特點。

1 系統總體設計

1．1 系統結構

系統結構如圖1所示。具有顯示控制功能的中央控制板采用具有高性能、低功耗的特點，而且不用外加射頻功放通信距離就可達到百米左右的STM32W108芯片(內置128Kb FLASH和8KB SRAM它同時支持人機交互，可與CC2430進行通信）[2]。

用于作為下級傳輸的Zigbee模塊，采用TI公司的CC24430無線射頻芯片，其具有顯著的低成本、低消耗、網絡節點多等的無線傳輸功能?？梢詫⒁粋€節點作為路由，由一個主節點管理若干子節點，同時可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網，實現組網，也有效地延長了Zigbee的傳輸距離。同時其具有高容量優點，可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，通過對與STM32通信和傳感數據采集傳輸的開發，形成對家中照明、安防、電器等進行遠程控制。

采用SDIO WIFI模塊芯片實現數據的遠程傳輸，其具有的USB 2．0接口與STM32的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB接口直接相連。該模塊用來實現家庭網關與Internet連接。通過WIFI可以在家中隨時上網，同時也可以通過家庭網關實現遠程控制。

控制板操作界面如圖2所示，主要是由STM32驅動帶有GUI源代碼的觸屏顯器，在其系統上進行UI（User Interface用戶界面）設計，使其界面簡單易用。

圖1 智能家居控制系統結構圖

圖2 觸屏控制板的人機操作界面

1．2 組網結構

采用Zigbee無線通信技術將智能家電設備組成星形網絡，如圖3所示。Zigbee協議中包括3種節點，即網絡協調器(FFD）、路由器、終端節點（RFD）[3]。

星形網絡是一個輻射狀的結構，網絡命令和數據都通過協調器傳輸，終端設備之間通信也通過協調器轉發，終端設備不是通信的起點就是通信的終點。

Zigbee擴展模塊在家庭網關中作為網絡協調器，可以是通信的起點或終點，負責各子傳感器節點的通信管理、動態組網與數據傳輸。Zigbee終端節點包括家庭內部網絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及燃氣泄露探測器等。

圖3 Zigbee組網結構

2 家居環境的調節控制

家居環境調節控制包括照明系統的控制、窗簾的控制以及空調等家用電器的控制。照明系統包括燈的開關狀態以及亮暗狀態的控制。窗簾控制包括窗簾的合開以及合開的程度?？照{等家電的控制包括電器的開關和其溫度的設定[4]。

環境控制的傳輸機制類似于單片機多機通信，由協調器接受控制板的控制信息，轉化為2．4GHz信號傳輸給路由節點或直接到達終端節點，先發送地址碼(末位為 “1”），所有子網均接受，與自身編碼作比較，若相等則允許接受下次信息，若不相等則不接受，再由協調器發送數據碼(末位為 “0”），子網中相應的節點接收數據，完成握手，達到對子網的控制。子網種結點將接受的數據譯碼，實現其所指定的動作，例如，“0”為切斷，“1”為開通。

2．1 照明系統

常用的調光方法有脈沖寬度調制(PWM）調光法、改變半橋逆變器供電電壓調光法、脈沖調頻調光法、脈沖調相調光法和可控硅相控調光法。可控相控調光法具有調光功率范圍寬等優點，因而采用該方法，其電路圖如圖4所示。通過控制可控硅的導通角，將電網輸入的正弦波電壓斬掉一部分以降低輸出電壓的平均值，達到控制燈具供電電壓，從而實現調光?？煽毓柘嗫卣{光對照明系統的電壓調節速度快，調光精度高，調光參數可以分時段實時調整。由于調光電路主要是電子元件組成，相對來說設備體積小、質量輕、成本低。

圖4 照明系統控制電路圖

控制回路由路由節點接受協調器的數據，分析確定完成握手后，輸出相應的數據驅動雙向可控硅，同時通過鎖存器將數據存儲，以便與下一次數據作比較，從而實現對燈光亮度的調節。

2．2 空調及其他電器

空調的開關狀態控制是開關量控制，先通過地址碼確定需要控制的器件地址，再由數據碼控制開關的狀態，若是智能空調或其他電器，可由多層級的開光量控制，確定地址碼后，數據碼依次為開光狀態、溫度上升／下降、需要設定的溫度或者上升下降的溫度等數據?？照{的控制結構圖與照明系統相類似。

2．3 窗簾

窗簾控制系統由通信模塊和步進電機組成的執行模塊組成，如圖5所示。終端CC2430接受協調器的控制信號，確定自己是否被呼叫，然后接受所來數據，確定是步進電機的正轉或反轉，在接受數據信息的同時，與自身存儲的數據作對比，確定需要的脈沖數，從而控制窗簾的開關程度。

圖5 窗簾控制的電路圖

3 安防系統

安防系統主要包括正常生活環境溫濕度的檢測、發生燃氣泄漏、火災、溢水等安全隱患的報告、有盜竊或其他非家中人員未經允許私自進入的報告和報警等安防行為。

3．1 溫濕度檢測

溫濕度的檢測主要采用智能傳感器芯片SHT15，其中不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有14位的A／D轉換器和2線串行接口，能輸出經過校準的相對濕度和溫度的串行數據，所以系統中不再使用傳統設計需要的多路轉換開關、A／D轉換器及信號調理電路，溫度檢測電路如圖6所示。將傳感器所測得的模擬信號經A／D轉換送回控制節點，產生中斷，將信息發送給協調器，由控制板上的環境控制信號通知用戶或通過網絡告知用戶家中的溫濕度。

圖6 溫濕度檢測電路圖

3．2 火災檢測報警

火災檢測裝置選用離子型煙霧檢測報警芯片MC14468，離子室使用放射源镅241，強度約為0．8微居里，不會對人體造成傷害，也不會污染環境。當檢測到煙霧時，離子室離子電流會隨著檢測現場的煙霧變化而產生微弱的電壓變化，傳到芯片檢測端，由內部邏輯電路處理后，啟動蜂鳴器發出報警聲，同時連接的LED以1Hz的頻率閃爍發光，從而達到報警效果。

火災檢測報警電路與溫濕度傳感電路相類似，只是把溫濕度傳感器換為煙霧檢測器，另外增加嗡鳴器和閃燈的報警裝置。

3．3 防盜報警

防盜檢測的主要器件是熱釋電紅外探測器和微波探測器，將上述探測器封裝在一個殼體內，并將2個探測器的輸出信號共同送到與門電路，只有當2種探測技術的傳感器都探測到移動的人體時，才輸出報警信號。防盜報警的電路結構與溫濕度檢測相類似，主要由紅外線報警裝置和微波探測裝置共同啟動，將信息及時報告用戶。

4 WIFI通信模塊

Wi-Fi是一種幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體的互聯網技術，它為用戶提供了無線的寬帶互聯網訪問，具有無線電波的覆蓋范圍廣(Wi-Fi的半徑則可達100m左右）、傳輸速度非常快和無須布線等優點。由于WiFi的頻段在世界范圍內是無需任何電信運營執照的免費頻段，因此WLAN無線設備提供了一個費用極其低廉且數據帶寬極高的無線空中接口。該模塊用來實現家庭網關與Internet連接。通過WIFI可以在家中隨時上網，同時也可以通過家庭網關實現遠程控制。

圖7 Zigbee組網流程圖

5 軟件設計

軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發。

5．1 Zigbee組網軟件設計

由CC2430芯片組網的軟件流程圖如圖7所示。在智能家居內部ZigBee無線網絡中，協調器首先進行初始化，然后選擇一個稱為PAN ID的標識號碼，接著啟動網絡，所有的設備接入CSMA-CA機制的協調器。當協調器收到數據時，首先判斷是新節點加入網絡的請求還是設備節點的控制請求，如果是新節點加入網絡的請求則分配網絡地址并綁定節點，如果是控制請求則調用控制請求處理函數處理數據。數據處理完畢，協調器返回等待請求監聽狀態。

通過串口調試助手進行試驗，進行協調器和路由器加網通信試驗，如圖8所示。當協調器檢測到新節點時，節點成功加入網絡，顯示“Network Join succeeded！”，并顯示自己的短地址(協調器隨機分配）和父節點的長地址和網絡地址，網絡建立成功后可進行通信。

協調器和終端節點之間的加網通信試驗如圖9所示。該試驗與協調器和路由器加網通信試驗相類似，但是其節點直接接收到協調器的數據（2221h）并存放在PingCnt中，如圖9中 “PingCnt：0x2221”。

圖8 協調器和路由器組網試驗調試結果

圖9 協調器和終端節點組網試驗調試結果

5．2 網關主程序設計

網關主程序的流程圖如圖10所示。硬件上電系統啟動以后，應用程序初始化，網關開始監聽網絡，有數據到來網關進入中斷狀態[5]。首先判斷是否為Zigbee數據，如果是Zigbee數據，則按照WSN協議處理數據并打包轉發給Wi-Fi模塊，網關返回監聽狀態。如果不是Zigbee數據，網關再判斷是否為Wi-Fi數據，如果是Wi-Fi數據則以Wi-Fi協議處理數據再打包轉發給Zigbee模塊，并返回監聽狀態，如果是未知數據，則網關進行丟棄處理直接返回監聽網絡狀態。

圖10 網關流程圖

6 結 語

通過利用Zigbee技術組網，構成可擴展的家庭網絡，并采用可視化效果較好的觸屏控制方式，系統由一個主控制器和多個無線網絡節點組成，它們之間通過無線模塊進行通信。根據客戶需求，主控制器采用功能強大的ARM芯片和嵌入式系統，配合使用方便的觸摸屏進行設計，無線網絡節點則由廉價實用的51系列單片機實現。該系統使用方便，具有良好的可擴展性、安全可靠和便于維修等特點，因而應用前景廣闊。

[1]吳卻，廖力清 ．一種基于Zigbee的智能家居無線傳感器網絡的設計 [J]．桂林航天工業高等專科學校學報，2010，15（4）：439-441．

[2]鐘雄林 ．基于ARM9的無線智能家居控制系統 [J]．信息科技，2010（9）：231-232．

[3]高雨明 ．淺析Zigbee無線傳輸技術及其應用 [J]．信息與電腦，2010（8）：126-128．

[4]楊浩杰，韓秀玲 ．一種智能家居監控系統的設計 [J]．微型電腦應用，2011，27（2）：49-51．

[5]高靜，王福豹，段渭軍 ．面向智能家居的嵌入式傳感網網關的研究與設計 [J]．現代電子技術，2011，34（4）：19-22．