基于ZigBee技術的智能家居系統概要設計

盧建偉　崔璨

摘 要

根據智能家居的定義，利用便攜移動終端和無線網絡控制方式，將CC2530構成的無線ZigBee模塊、TMS320LF2407A芯片、身份識別技術和移動3G模塊組成中央系統控制中心，通過移動終端、無線ZigBee網絡、3G網絡對智能家居各子系統進行控制，該系統可以自由添加設設備，根據要求設置場景，形成設備聯動，為用戶提供靈活、方便、智能的生活空間。

【關鍵詞】智能家居 ZigBee CC2530 3G

通俗地講，智能家居是融合了自動化技術、計算機網絡技術和網絡通訊技術的集成，是一種智能化、網絡化的家居控制系統。本文是參考ZigBee技術的特點，結合成熟的3G/4G移動通信技術，設計出的智能家居系統，本系統除了基本的手動控制功能外，還可以通過組建ZigBee無線網絡，使用無線遙控器、便攜移動終端設備、電話或因特網來控制管理家居設備，使得生活更加方便、舒適?；谥悄芗揖拥南到y定義，設計了如下系統：

1 系統方案概要設計

本系統由便攜移動終端、中央控制器、智能家居各子系統（如智能窗簾控制、智能家電控制、智能安防控制、智能燈光控制等）和通用系統設備組成。其中便攜移動終端是基于IOS/Android系統的手機或平板電腦，中央控制器是智能家居系統的核心，對各子系統的設備進行添加刪除等各項管理，各子系統是具體的應用操作層，系統通用設備使子系統設備的工作范圍更廣，具體的系統框圖如圖1。

系統的主要功能有：

（1）通過中央控制系統軟件進行系統管理，對各子系統進行添加、設置等管理。

（2）通過監控設備或便攜移動終端獲得視頻圖像、監控信息并進行相應管理，并可在盜賊分入侵時通過短信息SMS向用戶報警。

（3）通過中央控制管理軟件完成室內燈光及家電的本地控制和狀態顯示，如家用電器、燈光和音響的控制。

2 系統硬件設計

系統硬件設計包括中央控制系統、各監控子系統和通用系統設備的設計。

2.1 中央控制系統

中央控制控制主要功能有：（1）組建無線ZigBee網絡，做為ZigBee網絡的核心，按要求添加其他節點；并實現新設備的數據接收與控制。

（2）扮演智能網關的角色，便于移動終端設備通過Internet進行遠程訪問和控制。

（3）自帶成熟的3G模塊，可隨時觀察視頻圖像，傳輸速率高，永遠在線，可以實時傳輸數據。

（4）當有盜賊入侵室內時，接收相應的傳感器報警信息發送短信信息報警。

（5）系統單機運行時，中央控制器液晶顯示當前系統運行狀態，方便用戶查看，并設置相應的功能鍵，便于手動進行相應的系統設置。

ZigBee模塊選用TI公司的CC2530芯片做為核心控制器，并組建相應的ZigBee協議棧。CC2530是標準的增強型8051 CPU，具有良好的RF 收發性能，支持支持載波監聽多路訪問/沖突檢測，運行模式切換短，適用系統超低功耗要求。通過中央控制系統的ZigBee協議棧，在室內組建無線星型ZigBee網絡，并將所有子系統設備添加到中央控制系統中，進而實現整體的無線ZigBee網絡控制。

中央控制系統MCU選擇具有DSP功能的TMS320LF2407A，主頻40M， 供電電壓為3.3V，指令周期可縮短到25ns，提高了處理器的實時控制能力，使用芯片擴展的64K字節SRAM用作圖像的緩存。與3G模塊、液晶模塊、ZigBee控制器和WLAN相連，構成整個控制系統的核心，完成各種操作響應。

3G模塊選用中興的MG3732 模塊，MG3732支持WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE制式，通過UART接口直接與微處理器MCU相連。液晶模塊選用1602液晶、與中央控制系統MCU的通用I/O接口相連，ZigBee模塊與MCU采用2線接口即可實現兩者間的數據雙向傳輸。通過MCU的LAN端口接口接入Internet，便于進行實時數據傳輸，系統可靠、安全。

2.2 各子系統設計

智能家居各子系統：如智能窗簾控制器、智能家電控制器、智能安防、智能影音娛樂系統、智能燈光控制等子系統。主要功能為：

（1）通過無線網絡或觸摸控制開關控制窗簾的開啟和關閉。

（2）遠程控制家電設備的開啟，如下班前通過移動終端打開空調、熱水器等操作。

（3）通過電子門禁和IC卡、紅外微波設備構成安防系統，有非法入侵時進行聲光報警。

（4）可根據室內環境和溫度，系統選擇相應的背景音樂。

（5）通過燈光控制實現調光調色，并可結合窗簾控制器實現場景聯動。在在這里我們以智能燈光控制和窗簾控制器為例。

中央控制系統將上位機下達控制指令通過ZigBee網絡發送至各子系統控制器實現，不同的子系統控制的識別碼是不同的，子系統通過識別碼來確認是否響應中央控制器的指令。在這里，窗簾控制器采用鋼化玻璃觸摸開關和ZigBee控制無線控制相結合的方式，即可手動操作，也可無線控制。

系統采用市電供電，通過開關電源降壓到12伏，整流后采用LDO HT7550 將12V電壓穩壓到5V給整個電路供電。觸摸芯片采用國產的ADPT008，有8個獨立的電容觸摸通道。窗簾控制器芯片采用通用的PIC16f690單片機，采用4M晶振，芯片的10腳、12腳數據接收發送端與ZigBee模塊的數據端相連，傳輸數據。

燈光控制系統分為單火線控制器和零火線控制器，提供兩種接線方式供用戶選擇，單火線控制器系統采用MO3023可控硅光耦隔離控制晶閘管BTA12-600SW導通與截止來點亮和熄滅燈。零火線控制器通過MCU控制繼電器的打開和閉合來點亮和熄滅燈，最終通過ZigBee模塊連接中央控制器。

同時燈光控制器和窗簾控制器通過ZigBee網絡聯動形成場景控制，提前設定好相應的場景，通過場景控制器觸摸開關同時控制燈光和窗簾的開合。兩樣，也可以與智能影音娛樂系統結合起來。

2.3 通用系統設備

這里通用系統設備主要指紅外轉換器，智能開關、智能中繼器、智能紅外插座，如智能紅外插座是通過Zigbee模塊與中央控制器通信，可遠程控制接入插座的電源開關，并通過學習相關家電的紅外信號實現遠程控制家電的功能。

智能插座的核心控制部分采用STC系列單片機STC11F04E，MCU接收到網關的控制指令后，發送相應的空調控制指令給紅外模塊。紅外模塊采用一體式下載型學習模塊，學習遙控器按鍵，并接受MCU發送的控制指令向外發送紅外信號。

3 系統軟件設計

系統軟件設計原則上每在中央控制器上添加一個或一類子系統設備，就需要一部分的軟件程序，在這里我們系統組成圖，系統軟件設計主要包括以下幾個部分。分別是基于IOS/android的移動終端控制程序設計、中央控制系統管理程序設計、CC2530協議棧程序設計、各子系統控制等程序設計。

3.1 中央控制器程序設計

首先進行系統初始化，進行初始參數設置，對各子系統進行查詢和巡檢，查詢各子系統的工作狀態，判斷各子系統是否工作正常，如不正常進行錯誤提示并進一步對錯誤的子系統進行進一步設置。如系統各部分都正常工作，剛中央控制器等待用戶操作或根據子系統傳遞的信息進行相應操作。

3.2 通用設備智能紅外插座程序設計

首先上電初始化：進行MCU的初始化，驅動繼電器使插座通電；中斷等待接受網關指令。假設控制器收到網關打開空調的指令，則發送相應的紅外控制碼發送至紅外模塊，并返還控制成功的指令給網關，之后繼續中斷等待網關指令。

4 結束語

本文通過ZigBee技術和最新的移動3G/4G技術相結合實現的智能家居，進行初步的概要設計，本系統基本實現了智能家居的必備功能，搭建好了基礎框架，是切實可行的，但在實際的開發過程中仍需要結合新技術、新的需要和具體應用去開發產品，在此基礎上擴充和完善智能家居的系統功能。

參考文獻

[1]王凱明.智能家居系統的研究[D].西安科技大學，2005.

作者單位

1鄭州大學 河南省鄭州市 450001

2西安理工大學 陜西省西安市 710048

同時燈光控制器和窗簾控制器通過ZigBee網絡聯動形成場景控制，提前設定好相應的場景，通過場景控制器觸摸開關同時控制燈光和窗簾的開合。兩樣，也可以與智能影音娛樂系統結合起來。

2.3 通用系統設備

這里通用系統設備主要指紅外轉換器，智能開關、智能中繼器、智能紅外插座，如智能紅外插座是通過Zigbee模塊與中央控制器通信，可遠程控制接入插座的電源開關，并通過學習相關家電的紅外信號實現遠程控制家電的功能。

智能插座的核心控制部分采用STC系列單片機STC11F04E，MCU接收到網關的控制指令后，發送相應的空調控制指令給紅外模塊。紅外模塊采用一體式下載型學習模塊，學習遙控器按鍵，并接受MCU發送的控制指令向外發送紅外信號。

3 系統軟件設計

系統軟件設計原則上每在中央控制器上添加一個或一類子系統設備，就需要一部分的軟件程序，在這里我們系統組成圖，系統軟件設計主要包括以下幾個部分。分別是基于IOS/android的移動終端控制程序設計、中央控制系統管理程序設計、CC2530協議棧程序設計、各子系統控制等程序設計。

3.1 中央控制器程序設計

首先進行系統初始化，進行初始參數設置，對各子系統進行查詢和巡檢，查詢各子系統的工作狀態，判斷各子系統是否工作正常，如不正常進行錯誤提示并進一步對錯誤的子系統進行進一步設置。如系統各部分都正常工作，剛中央控制器等待用戶操作或根據子系統傳遞的信息進行相應操作。

3.2 通用設備智能紅外插座程序設計

首先上電初始化：進行MCU的初始化，驅動繼電器使插座通電；中斷等待接受網關指令。假設控制器收到網關打開空調的指令，則發送相應的紅外控制碼發送至紅外模塊，并返還控制成功的指令給網關，之后繼續中斷等待網關指令。

4 結束語

本文通過ZigBee技術和最新的移動3G/4G技術相結合實現的智能家居，進行初步的概要設計，本系統基本實現了智能家居的必備功能，搭建好了基礎框架，是切實可行的，但在實際的開發過程中仍需要結合新技術、新的需要和具體應用去開發產品，在此基礎上擴充和完善智能家居的系統功能。

參考文獻

[1]王凱明.智能家居系統的研究[D].西安科技大學，2005.

作者單位

1鄭州大學 河南省鄭州市 450001

2西安理工大學 陜西省西安市 710048

同時燈光控制器和窗簾控制器通過ZigBee網絡聯動形成場景控制，提前設定好相應的場景，通過場景控制器觸摸開關同時控制燈光和窗簾的開合。兩樣，也可以與智能影音娛樂系統結合起來。

2.3 通用系統設備

這里通用系統設備主要指紅外轉換器，智能開關、智能中繼器、智能紅外插座，如智能紅外插座是通過Zigbee模塊與中央控制器通信，可遠程控制接入插座的電源開關，并通過學習相關家電的紅外信號實現遠程控制家電的功能。

智能插座的核心控制部分采用STC系列單片機STC11F04E，MCU接收到網關的控制指令后，發送相應的空調控制指令給紅外模塊。紅外模塊采用一體式下載型學習模塊，學習遙控器按鍵，并接受MCU發送的控制指令向外發送紅外信號。

3 系統軟件設計

系統軟件設計原則上每在中央控制器上添加一個或一類子系統設備，就需要一部分的軟件程序，在這里我們系統組成圖，系統軟件設計主要包括以下幾個部分。分別是基于IOS/android的移動終端控制程序設計、中央控制系統管理程序設計、CC2530協議棧程序設計、各子系統控制等程序設計。

3.1 中央控制器程序設計

首先進行系統初始化，進行初始參數設置，對各子系統進行查詢和巡檢，查詢各子系統的工作狀態，判斷各子系統是否工作正常，如不正常進行錯誤提示并進一步對錯誤的子系統進行進一步設置。如系統各部分都正常工作，剛中央控制器等待用戶操作或根據子系統傳遞的信息進行相應操作。

3.2 通用設備智能紅外插座程序設計

首先上電初始化：進行MCU的初始化，驅動繼電器使插座通電；中斷等待接受網關指令。假設控制器收到網關打開空調的指令，則發送相應的紅外控制碼發送至紅外模塊，并返還控制成功的指令給網關，之后繼續中斷等待網關指令。

4 結束語

本文通過ZigBee技術和最新的移動3G/4G技術相結合實現的智能家居，進行初步的概要設計，本系統基本實現了智能家居的必備功能，搭建好了基礎框架，是切實可行的，但在實際的開發過程中仍需要結合新技術、新的需要和具體應用去開發產品，在此基礎上擴充和完善智能家居的系統功能。

參考文獻

[1]王凱明.智能家居系統的研究[D].西安科技大學，2005.

作者單位

1鄭州大學 河南省鄭州市 450001

2西安理工大學 陜西省西安市 710048