基于ZigBee技術的家居智能管理系統的設計

張 如

(福州職業技術學院 計算機系，福建 福州 350108)

基于ZigBee技術的家居智能管理系統的設計

張 如

(福州職業技術學院 計算機系，福建 福州 350108)

文章設計了一套基于ZigBee技術的家居智能管理系統。該系統由Zigbee無線傳輸模塊、嵌入式智能網關、傳感器等設備組成，能準確采集顯示溫濕度信息、煙霧信息、入侵信息，并能完成對窗簾與家電設備的自由控制。經測試，該系統控制性能良好，采集信息準確，具有擴展性好、實時性強、功耗低等優點。

家居智能；ZigBee；智能網關；傳感器；管理系統

0 引言

物聯網是使用局域網或互聯網等技術把傳感器、控制器、人和物等相聯，形成人物、物物相聯，是實現智能化識別、智能化監控管理的網絡[1]。隨著物聯網與智能家居技術的迅速發展，家居智能系統正朝著網絡化、信息化、智慧化方向發展，無論用戶身在何處，均能實時監控自家的環境情況并遠程控制家電設備。在家居智能系統中，采用無線組網技術比采用有線組網技術更具實用性、靈活性、擴展性等諸多優越性[2]。而在無線組網技術中，ZigBee技術又以其低功耗、低成本、自組多跳網絡、超大網絡容量等特點，成為無線傳感網絡的最優選擇，并被廣泛運用在自動監控領域[3]。

本文設計的家居智能管理系統是基于ZigBee技術構建的，通過ZigBee技術無線連接各終端節點(傳感器采集節點與控制節點)，實現對家居環境的動態監測與家電設備的智能化控制。Zigbee 的組網有星型網、樹型網和網狀網三種拓撲結構：星型網只有一個協調器控制，終端節點只與協調器通信；樹型網是因協調器和終端節點距離較遠，需加入路由節點的“加強型星型網”；網狀網是樹型網的拓展，網絡中的所有路由節點的信息是互通的[4]。因在本系統中用到的終端節點數目較少，故采用星型拓撲結構進行組網。

1 系統整體設計

家居智能管理系統主要由終端節點、協調器和智能網關三部分組成。終端節點由不同功能的信息采集節點和控制節點組成。信息采集節點主要是將傳感器采集的環境信息發送給協調器，控制節點主要是接受來自協調器的轉發指令并執行相關操作，終端節點與協調器通過ZigBee無線傳感網絡進行信息傳輸。協調器負責將采集節點傳來的信息傳遞給智能網關，智能網關負責提供圖形化的監控管理界面來顯示采集信息，并通過協調器將控制命令傳至無線傳感網絡中的對應控制節點。系統具體應用結構如圖1所示。

圖1 系統具體應用結構圖

系統總體操作流程如下：

1)將各種不同功能的終端節點與特定的設備(如溫濕度傳感器、智能排插)進行綁定相聯，以便形成傳感網絡后能實現對設備的實時監測與控制。協調器通過串口與智能網關相聯。

2)協調器開啟并進行初始化，根據設置好的參數建立一個ZigBee網絡，然后等待其他設備的加入，隨著終端節點的陸續開啟，這些節點成功加入此ZigBee網絡，并將各自對應的網絡地址和MAC地址等信息通過協調器反饋到智能網關上。

3)無線傳感網成功組建后，就可對終端節點綁定的設備進行實時監控。信息采集節點周期性采集傳感器信息，通過Zigbee自組網傳送至協調器，協調器節點再將采集信息通過串口傳至網關。同理對于控制節點，智能網關將控制指令通過串口傳至協調器，再由協調器將控制指令傳至對應的控制節點上，使綁定設備按要求指令進行操作。

系統要能實時采集家居中的溫濕度數值，實時采集煙霧值，實時發現有無人員入侵，能自由控制窗簾的開關停，能通過智能排插控制與之相連的家電開關(比如當用戶發現煙霧值超標時，可以打開電扇進行排氣)。

2 系統硬件設計

系統硬件設計包括智能網關的設計、ZigBee無線傳輸模塊設計、用于采集信息的傳感器模塊設計、控制模塊設計等。

2.1 智能網關設計

智能網關采用的是Tiny6410SDK開發板。Tiny6410SDK采用Tiny6410作為核心板，Tiny6410是一款以ARM11芯片(三星S3C6410芯片)作為主處理器的嵌入式核心板，該CPU基于ARM1176JZF-S核設計，內部集成了強大的多媒體處理單元，支持Mpeg4、H.264/H.263等格式的視頻文件硬件編解碼，可同時輸出至LCD和TV顯示。Tiny6410集成了128 M DDR RAM、256 M/1 GB SLC Nand Flash存儲器，采用5 V供電，在板實現CPU必需的各種核心電壓轉換。三星S3C6410芯片是一個16/32位RISC微處理器，可為2.5G和3G通信服務提供優化的H/W性能。它還包括許多強大的硬件加速器，如視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放等，使用此開發板可以很方便的進行嵌入式開發。

2.2 ZigBee無線傳輸模塊設計

盡管協調器和終端節點的功能不同，但是它們的硬件核心卻是相同的，都有ZigBee無線傳輸模塊。ZigBee無線傳輸模塊的功能是進行數據信號的無線傳輸，其在zigbee自組網里的角色會根據功能的不同分為協調器節點、路由器節點和終端節點。本系統的ZigBee無線模塊采用TI的ZigBee片上系統CC2530作為控制器，主要由ZigBee芯片、晶振、天線、擴展引腳及LED燈等組成。CC2530工作于2.4G的ISM頻段，其結合了一個完全集成的、高性能的RF收發器和一個8051微處理器、8 kB的RAM、32/64/128/256 KB閃存、以及其他強大的支持功能和外設。協調器與終端節點之間的通信依靠 CC2530 芯片來完成，它們之間的數據傳輸都是無線的，而協調器與智能網關之間通過串口相連完成數據通訊。

2.3 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要負責家居環境中信息的采集，它們與ZigBee 無線傳輸模塊相聯后，就可通過ZigBee無線網絡將采集信息傳至智能網關。基于本系統要采集的信息內容，傳感器模塊選擇煙霧傳感器模塊、主動紅外對射傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊三種傳感器模塊。

溫濕度傳感器模塊采用的是數字型溫濕度傳感器SHT10，其在一個微型電路板上集成了傳感元件和信號處理電路，并能輸出標定的數字信號。傳感器在同一芯片上將電容性聚合體測濕敏感元件、能隙材料制成的測溫元件與14 位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接，并采用專利的CMOSens?技術，確保傳感器具有高可靠性與長期穩定性。

煙霧傳感器模塊采用MQ2煙霧傳感器。MQ2的氣敏材料是在清潔空氣中電導率低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器檢測到有可燃氣體時，傳感器的電導率會隨氣體濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ2適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等氣體檢測。

主動紅外對射傳感器模塊采用WYC H2010槽型對射式光電開關，是一款集紅外線發射器和紅外線接收器于一體的紅外感應光電產品。其發射器和接收器各自位于U型槽的兩邊，發射器主動發射紅外波，接收器接收，形成一光軸。U槽寬為10 mm，當有物體經過U型槽阻斷光軸時，光電開關就會產生檢測到的開關信號，可對窗、陽臺等出入口形成封閉式的防范，為家居提供良好的安保作用。

2.4 控制模塊設計

控制模塊與ZigBee無線傳輸模塊相聯形成終端控制節點，其主要包括窗簾控制模塊與智能排插模塊。窗簾控制模塊會根據相應的指令，控制窗簾的開關停。本模塊利用28BYJ-48型四相八拍步進電機模擬智能家居中的窗簾部分，當對步進電機施以連續不斷的控制脈沖時，它可連續地轉動，以此模擬控制家居環境中的電動窗簾。

智能排插模塊的功能是自由控制與之相連家電的開關，系統使用本特B-837數碼遙控開關作為主要器件來完成控制工作。無線智能遙控開關由遙控器和繼電器開關組成，遙控開關有六根線，由右側起分別為藍、白、黃、紅、黑1、黑2，紅線連接市電的火線，黑1線連接市電的零線，藍、白、黃分別為對應遙控器上的A、B、C三路(遙控上的D為三路的總開關)，黑2線為藍、白、黃共同的零線。將這些線與排插對應聯接后，家電就可以受控進行開關了。

3 系統軟件設計

系統軟件主要完成環境數據的采集、數據無線通信、數據處理以及回饋控制信息等功能，可以簡單地將其描述成兩項工作：實時采集數據與實時控制操作，系統工作流程如圖2所示。根據系統內各組件分工及功能的不同分別進行軟件開發，主要集中在智能網關軟件開發、ZigBee網絡的軟件開發、各終端采集與控制節點的軟件開發等。

3.1 智能網關的軟件開發

智能家居網關實現以下功能：通過ZigBee 網絡實現家居環境的信息采集顯示；同樣通過ZigBee 網絡對各終端控制節點進行控制。系統以 Win CE作為嵌入式操作系統，使用Microsoft Visual Studio 2005專業版作為開發工具，以C#作為應用程序開發語言，來進行智能網關的軟件開發。智能網關軟件開發包括操作系統的軟件平臺開發與應用程序的開發，而操作系統的軟件平臺開發包括根據目標平臺的實際情況進行的Win CE操作系統定制、移植與Win CE驅動開發。將開發的智能網關軟件系統整個刷寫到智能網關里后，網關即可進行工作。

圖2 系統工作流程圖

3.2 ZigBee網絡軟件開發

ZigBee網絡軟件系統是以IAR Embedded Workbench作為開發環境，以TI公司的ZStack2006協議棧作為開發基礎，以模塊化的設計原則，由協調器模塊和各終端采集控制節點模塊二個部分組成。

3.2.1 協調器軟件開發

協調器在Zigbee自組網絡中起著非常重要的領導管理作用，它負責Zigbee網絡的建立維護、與各終端節點通過Zigbee協議實現組網并在節點間傳遞信息、與智能網關進行信息交互。首先，啟動后的協調器先進行初始化，并根據事先設定好的網絡參數建立了一個Zigbee網絡。當終端節點搜索到此網絡后會申請加入此網絡，協調器收到申請后會給終端節點分配一個16位網絡地址，并在地址表中記錄該節點，ZigBee網絡便組建成功。ZigBee組網成功后，協調器進入ZigBee協議棧事件處理循環中，調用osal_start_system()主循環函數，輪詢所有觸發事件然后調用相關的任務處理函數，無任務時進入休眠狀態。這些觸發事件包括節點加入、查詢采集節點的采集數據、向終端控制節點傳遞網關的控制指令。如果節點加入事件發生，協調器收到入網請求后，會先檢查是否已記錄了此節點，如沒有，則會分配給節點網絡地址，并增加節點信息；如果是查詢節點采集數據，協調器會先查找對應采集節點，并向節點發送查詢命令，然后接收節點的采集信息，并將信息傳達至網關；如果是收到網關的控制信號，協調器查找對應的終端控制節點，查詢到后將控制信號轉發至對應的節點上。協調器程序流程如圖3所示。

圖3 協調器程序流程圖

3.2.2 ZigBee終端采集控制節點軟件開發

ZigBee終端節點是對家居中的某一個具體設備進行數據采集或控制，因此它們的軟件開發必須根據各個節點實際實現的功能進行設計。終端節點初始化后，自動搜索到網絡后發送進網申請，獲得應允后會得到一個16位的網絡地址。若為采集節點則定時調用信息采集程序進行采集，再將采集來的信息發送給協調器，然后由協調器發給智能網關。如果是控制節點，它在接到協調器轉來的網關控制命令后，調用對應控制程序對設備進行控制。

4 系統測試情況

為更好地進行整個系統測試工作，應先對系統各部分分別進行獨立測試，排查解決每個部分的問題，待所有部分均能完成各自功能后，再進行整個系統總測試，查看系統整體運行情況。整體測試步驟如下：

1)首先將ZigBee協調器通過串口與網關相連接，打開智能網關和ZigBee協調器開關，然后逐個打開ZigBee終端節點的電源，等待幾秒鐘后觀察各節點是否成功組網。

2)進入網關的家居智能管理軟件界面，如圖4所示，選擇協調器連接的串口，點擊連接，查看各節點按鈕狀況，如果按鈕是灰色的說明節點連接有問題，如果是高亮顯示說明節點已連接成功可進行控制了。

3)測試終端采集節點的運行狀況：點擊對應的選項按鈕，這里先選擇“紅外對射”，將非透明障礙物放于U型槽的中間，當紅外對射傳感器模塊有所感應時，就可以看到網關會有相應提示信息“有人侵入，請注意！”(如圖4-A所示)。其他的終端采集結點也一一操作，觀察網關提示信息。

4)測試終端控制節點的運行狀況：點擊對應的選項按鈕，這里先選擇“窗簾”，可以看到右側出現幾個控制按鈕(如圖4-B所示)，分別點擊，查看窗簾的具體操作情況。其他控制節點一樣查看運行情況。

經最終測試，整體運行正常，本系統完成以下幾個功能：

1)ZigBee無線組網成功，網絡中的各終端節點均正常運行，并完成通信。

2)智能網關能夠正常接收從ZigBee無線傳感網傳遞來的傳感采集信息并進行顯示。

3)智能網關的控制指令能正常傳到ZigBee無線傳感網絡中的指定控制結點，設備按指令完成操作。

圖4 家居智能管理軟件界面

5 結論

本系統是基于ZigBee無線傳感技術而設計的家居智能管理系統。在真實環境的測試中，系統能實時準確的采集環境中的溫濕度信息、煙霧信息、入侵信息，并將這些信息經由協調器傳至智能網關加以顯示；同時將智能網關對于窗簾與智能排插的控制指令通過協調器傳至與窗簾、排插相聯的的終端控制節點，完成對窗簾的開關停以及對與排插相連的家電設備的開關控制。本系統實現了對家居環境的真實監測與控制，無需另外布線，節點擺放自由，具有擴展性好、實時性強、運行準確、成本低、功耗低等優點。

[1] 黃玉蘭.物聯網概論[M].北京:人民郵電出版社,2011:1-30.

[2] 戴敏,陳波.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].自動測量與控制,2008,27(3):80-81.

[3] 孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:1-26．

[4] 李蕾.基于智能家居環境的無線傳感器網絡結構研究[J].信陽師范學院學報:自然科學版,2013,26(4):616-619.

2014-06-19

福建省教育廳教育科研項目(JB13338)；福州市科技局項目(2011-G-108)

張如(1975-)，女，福建福鼎人，福州職業技術學院講師，碩士。研究方向：計算機應用。

TP273.5

A

1008-4657(2014)04-0032-05

寸曉非]