基于ZigBee無線通信的智能家居閉環系統設計與實現

楊怡婷，歐陽名三

1.淮南職業技術學院信息與電氣工程系，安徽淮南，232001；2.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001

基于ZigBee無線通信的智能家居閉環系統設計與實現

楊怡婷1，歐陽名三2

1.淮南職業技術學院信息與電氣工程系，安徽淮南，232001；2.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001

設計了一種基于ZigBee無線通信系統為核心，采用S3C2410芯片為核心處理器，以CC2430芯片為各控制、采集、協調器節點的智能家居閉環系統，給出了系統架構、硬件模塊、系統軟件和控制系統設計方案，并對系統各部分進行了測試，測試結果表明，系統各部分運行正常，最終實現了以處理器自行控制、維持的智能家居閉環系統。

智能家居；ZigBee；閉環設計；CC2430B

基于智能家居發展的現狀，結合智能家居系統的真實場景，設計了以S3C2410芯片為核心處理器的智能家居演示系統，系統以CC2430處理器為各控制、采集、協調器節點。該系統利用網絡通信技術、嵌入式計算機技術、自動控制技術等，將家庭日常生活有關的各種應用子系統有機地結合起來，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、安全、有效和節能。無須用戶干預即可保持室內環境的舒適、安全[1]。

1 系統架構

傳統智能家居系統的主要功能體現在“報告”上，即可通過GSM和Internet等通訊手段向用戶進行告知的功能，而在每天接受信息量巨大的今天，這些冗余數據已沒有實際意義——一般用戶不需要確切地了解現在室溫究竟是多少攝氏度，而關心是否舒適。這種舒適可用處理器來控制，于是本設計擯棄了GSM、Internet等模塊，直接利用處理器，加入自動控制算法，形成閉環系統，實時保持室內環境的舒適[2]。

本設計可實現如下功能：溫濕度傳感器測量室內溫濕度狀態并實時向協調器無線傳輸溫濕度數據，協調器在接收數據后自行判斷，如溫度大于27℃時則打開電動窗簾；門禁采集節點實時向協調器無線傳輸門禁狀態，如門被打開則打開照明系統。在采集和處理數據時，協調器通過串口將房屋各狀態發送給S3C6410進行顯示[7]。如此，實現了兩個閉環系統。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 整體系統構架

2 硬件設計

2.1 房間狀態顯示模塊

使用S3C6410芯片作為顯示設備。S3C6410芯片是一個16/32位RISC微處理器，協調器通過串口與S3C6410芯片進行有線通信，將房屋各狀態傳輸后進行顯示。S3C6420搭載Windows CE操作系統，該系統提供了方便的接口函數以及圖形化軟件界面。

2.2 無線通信模塊

CC2430是一個真正的系統芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用以及對低成本、低功耗的要求。它結合了一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一個工業級小巧高效的8051控制器[9]。CC2430結合了8K kb的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據不同的閃存空間32 kb、64 kb和128 kb來優化復雜度與成本。

本設計無線通信系統由協調器和終端構成簡單星型網絡，如圖2所示。圖3為CC2430系統板樣圖。

圖2 無線通信星型圖

圖3 本設計采用的CC2430系統板

2.3 溫濕度傳感模塊

SHT10屬于Sensirion溫度和濕度傳感器系列中的以貼片為封裝的傳感器。此傳感器的信號處理電路以及傳感元件被集成在一小塊微型的電路板上，輸出的是標定的數字信號。因其采用了CMOSens(r) 專利技術，故具有非常高的可靠性和突出的長期穩定性。傳感器實時采集室內溫濕度，并通過ZigBee將溫濕度數據無線傳輸至協調器進行進一步處理[3]。

2.4 無線控制的電動窗簾及照明系統

電動控制開合窗簾系統包括裝飾布簾、軌道系統和控制系統，具體結構是：滑線上縛有永磁體，在封閉的連桿內腔中運行，磁力透過簾桿牽引吊環。軌道系統采用電磁驅動?？刂葡到y中加入編碼遙控開關，即在ZigBee節點電路上安裝編碼遙控開關，以脫離遙控器，形成閉環系統。

3 軟件設計

本系統包括協調器、采集節點和控制節點，其程序設計如下。

協調器流程圖如圖4所示。

圖4 協調器流程圖

以下是協調器主函數[5-6]：

ZSEG int main(void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL); 關閉中斷

HAL_BOARD_INIT(); 板載硬件初始化

zmain_vdd_check();

zmain_ram_init(); 內存初始化

#ifndef NONWK

afInit(); 通信模塊初始化

#endif

osal_init_system(); 初始化系統，其中將初始化任務

P1SEL &=0x0; 將P1端口各引腳設置為GPIO模式

P1DIR|=0x3f; 設置P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,為輸出方式

osal_start_system(); 啟動系統

}

溫度采集節點的程序流程圖如圖5所示。

4 系統調試與實現

4.1 各電路模塊測試

對于這段開關互市的歷史，在遼東滿族民眾的記憶中也有記載和表現。最有代表性的就是在桓仁地區采錄的《老杲子》[注]夏秋主編：《滿族民間故事·遼東卷》上卷，遼寧民族出版社，2010年，第12頁。，其內容如下：

4.1.1 S3C6410開發板串口、顯示程序及溫濕度采集測試

(1)為協調器和溫濕度采集節點上電，當采集節點LED3、LED4熄滅時，表明采集節點成功加入ZigBee網絡[6]；

(2)打開開發板開關，連接好串口，打開串口程序，可以看到節點2傳回的溫濕度數值。

圖5 溫度采集節點程序流程圖

4.1.2 燈光與電動窗簾模塊測試

(1)在用戶主任務中加入以下語句：

light_head();

light_data_k1();

Delay(30000);

light_head();

light_data_k2();

(2)打開供電開關，3 s鐘亮滅，證明模擬成功。

4.2 系統實現

(1)打開S3C6410開發板電源，啟動Windows CE系統(圖6)；

圖6 Windows CE 啟動畫面

(2)給各個CC2430協調器、節點上電；

(3)當采集節點、控制節點的LED3、LED4熄滅，表明對應節點成功加入ZigBee網絡(圖7)；

(4)本設計遙控開關分發送和接收兩個部分，經示波器檢測，此無線遙控器發送的波形如圖8所示。

圖7 兩LED熄滅節點正常加入網絡

圖8 遙控器波形圖

5 結束語

本設計本著節能高效、方便使用、人性化的思想，采用CC2430低成本芯片作為無線模塊，大大節省了預算，取消了煩瑣的GSM、Internet模塊，構成了純粹以處理器自行控制、維持的智能家居閉環系統[8]，對各種復雜情況都有較好的反應。

[1]包依勤．基于物聯網技術的智能家居系統的研究與探討[J]．物聯網技術，2013(7)：38-41

[2]劉光．基于Zigbee與以太網的智能家居系統設計[D]．大連：大連理工大學機械工程，2012：20-25

[3]王小強,歐陽駿，黃寧淋，等．ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M]．北京：化學工業出版社，2012：40-43

[4]李文仲，段朝玉．ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2009：18-20

[5]宋寶華．Linux設備驅動開發詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2011：10-13

[6]馬菁菁．Zigbee無線通信技術在智能家居中的應用研究[D]．武漢：武漢理工大學測試計量技術及儀器，2009：50-57

[7]申斌，張桂青，汪明，等．基于物聯網的智能家居設計與實現[J]．自動化與儀表，2013(2)：6-10

[8]李勇．智能家居無線控制網絡的設計與實現[J]．自動化儀表，2013(7)：58-61

[9]張小威．ZigBee電路設計及在智能家居中的應用[D].南京：南京郵電大學電子與通訊工程，2013：50-55

(責任編輯：汪材印)

2014-06-08

安徽省教育廳優秀青年人才基金項目“基于多智能體的小樣本水泥回轉窯故障在線診斷研究”(2012SQRL258)。

楊怡婷(1983-)，女，安徽淮南人，碩士研究生，講師，主要研究方向：自動控制理論和智能算法。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.09.024

TN925

A

1673-2006(2014)09-0079-04