基于ARM和ZigBee的智能家居控制系統設計與開發

胡國偉 陳光絨 李群 代品川

摘 要： 為適應家居智能化的發展需求，設計了一套基于ZigBee協議的智能家居系統。家居控制系統的智能網關采用STM32芯片為主控制器，控制分布在室內不同位置的家居設備。通過開發的Web客戶端、手機客戶端及平板電腦客戶端，用戶可實現對家用電器運行狀態的信息查詢及控制。結果表明，該系統具有低成本、低功耗、可擴展，人機交互界面友好等特點，且系統組網方便快捷，運行穩定，可靠性高，具有較高的實用性和推廣價值。

關鍵詞： 智能家居； ZigBee協議； 智能網關

中圖分類號： TN 949 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）05-0081-06

0 引 言

隨著科技的發展和人們生活質量的提高，智能家居逐漸成為未來家居生活的發展方向[1]。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環境，而且用戶能夠遠程監控家居狀態并控制家庭電器設備。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，提供全方位的信息交互功能，甚至為各種能源費用節約資金。

目前，市場了提出了許多的智能家居解決方案，同時許多新的案例及成熟產品亦不斷涌現出來。如美國霍尼韋爾、HAI和LG公司的智能家庭產品，海爾網絡家電和清華同方ASTB1000機頂盒[2]，小米智能家庭套裝，聯想家庭安防套裝等。為提高智能家居控制系統的穩定性和可靠性，本文開發了基于ARM的家庭網關和基于ZigBee控制節點組成的智能家居控制系統，同時基于不同平臺開發的智能家居客戶端管理軟件，用戶能夠通過多種方式實現對家居環境的遠程訪問和控制，能滿足用戶對智能家居控制系統的一般使用需求。

1 工作原理與系統結構

本文設計的智能家居控制系統主要包括（如圖1所示）：智能終端節點、智能家庭網關、服務器、用戶客戶端管理軟件四部分。家庭網關是整個家居系統的核心，用戶通過其在現場或者遠程查詢、控制智能家居網絡各節點。監控現場的節點將各自采集的信息傳送給網關上的協調器，經過主控制器處理后，將信息通過有線或無線方式傳送至電腦或者手機等用戶終端[3]。終端節點可分為兩類：一類是數據采集節點，如溫濕度采集、煙霧采集、CO2采集等，負責采集環境信息；另一類是控制節點，如燈光控制、繼電器控制、PWM輸出、紅外輸出等，控制家用電器。系統通過無線ZigBee技術組建的家庭網絡，終端節點采集的信息經由協調器和嵌入式網關上傳至客戶端管理軟件，用戶可通過電腦或者移動終端查看家居環境信息并根據實際情況控制家用電器。系統整體結構如圖1所示。

系統工作流程如下：終端節點采集的狀態信息和傳感器數據經ZigBee協調器傳送至網關，由網關通過Ethernet模塊和WI？鄄FI傳輸至外部網絡，用戶可以通過移動終端或計算機登入遠程登入到Web界面，實時查看家中的電器和環境信息，或者通過手機等移動終端訪問并控制家用電器，家庭網關根據控制信息做出正確判斷和響應。

2 系統硬件設計

智能家居控制系統的硬件主要包括智能網關控制器模塊、終端節點模塊兩部分組成，如圖2所示。

2.1 網關控制器模塊

網關控制器是智能家居控制系統的核心部件，其作為整個家居網絡的數據交互樞紐，是連接家庭內部網絡和外部網絡的橋梁。網關通過ZigBee接口與終端設備無線通信來獲得數據，并將數據通過以太網或WI？鄄FI接口轉發至服務器。它以嵌入式微處理器為中心，由ZigBee協調器、WI？鄄FI模塊、以太網接口、GPRS模塊以及輔助裝置等組成，另外還包括維持ARM系統正常工作的外圍輔助電路，如電源電路、存儲器借口、閃存電路、復位電路以及看門狗電路等[4]。

家庭網關核心微處理器選用意法半導體公司的STM32F103VCT6芯片，它是32位微處理器芯片，該芯片的CPU采用的是ARM Cortex M3內核，比一般的單片機運行速度快（主頻可達72MHz），能夠很好地滿足系統對實時性的要求，可以很好地運行Linux嵌入式操作系統，同時其性能高、功耗低和價格低的特點符合本項目的設計要求。

協調器ZigBee模塊采用TI公司的CC2530芯片，主要功能是接收傳感器采集的數據信息，并解析由上端發送過來的控制指令，對控制節點實施控制。CC2530是TI公司經過ZigBee認證的Z-Accel系列的網絡處理器，支持現有的ZigBee和Z-StackTM。CC2530內部包含一個專門支持ZigBee協議和底層協議IEEE802.15.4的定時器，并且支持低功耗工作模式，當無線模塊配置成終端設備時，CC2530將自動轉換到低功耗工作模式，在終端設備空閑時，進入睡眠狀態，需要進行數據傳輸時，再從睡眠狀態中喚醒，實現節省電量的目的[5]。

2.2 終端節點設計

終端節點硬件電路主要由無線終端節點ZigBee無線通信模塊、處理器模塊（TI公司的STM32F030芯片）、傳感器模塊和電池模塊4部分組成，其結構示意圖如圖3所示。無線通信模塊用于完成無線通信任務，實現與協調器之間傳感器數據信息發送以及接收相關控制指令信息；處理器模塊用于控制各種電器、存儲數據等；電池模塊用于系統工作所需要的電能；傳感器模塊主要功能是采集所在區域內或家居設備的相關信息，并對采集到的數據進行轉換和處理。

由圖3可以看出，傳感器節點主要包括智能感知、安全監測、智能電器、智能安防四個部分。采用的傳感器有：光照溫濕度傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器、CO2傳感器、雨水傳感器、模擬信號、433M、紅外傳感器。控制節點主要包括燈具控制節點、繼電器控制節點、窗簾控制節點、中央空調控制節點、RGB燈光控制節點、報警蜂鳴器控制節點、PWM輸出控制節點，借助ZigBee模塊將數據發送給協調器。

3 系統軟件設計

本設計軟件由網關控制器、智能終端以及家居客戶端管理軟件三部分組成。網關控制器位于智能終端與上層客戶端軟件平臺之間，負責上層管理平臺與感知節點數據轉發。網關控制器軟件系統運行在微控制器STM32F103VCT6平臺上，采用開源的Linux操作系統，將用戶發送的指令信息通過協調器轉發出去，同時接收終端節點采集的反饋信息。客戶端管理軟件能實現環境信息實時查詢，監控家電設備的運行狀態，并適時做出調整。

3.1 通信報文幀格式定義

為滿足無線傳感器網絡數據信息傳輸的有序及可靠性，需要定義好合適的通信協議，一方面避免處理器即使沒有發送數據或指令，無線模塊會隨機發送一些無效數據等現象的發生，另一方面保證數據下傳命令能夠準確的傳達。由網關發送給終端節點的數據幀，分為兩種不同類型：查詢類型和控制類型。考慮到篇幅的限制，下面以溫度傳感器采集模塊為例（查詢類型），定義數據傳輸協議格式如圖4和圖5所示。

（1）報頭：固定為0xFE，表示一個報文幀的開始。

（2）數據長度：一幀的長度由數據包大小決定，不同數據包占用字節數不同，此長度即為一個數據包的字節數總和。

（3）指令類：2B 為數據通信幀標示。

（4）指令號：00 為點對點發送，01為廣播發送。

（5）目的地址：即目標無線傳感網絡中斷節點設備地址，溫度傳感器讀取地址為0x143E，每個家電設備都由協調器隨機分配的目標短地址與其對應。

（6）數據：數據包括讀/寫/上傳、寄存器地址、寄存器數據三部分組成。讀/寫/上傳指令分別用字節0x03，0x06，0x09表示。

（7）校驗：采用所有字節異或得到最后位效驗字節方式。占用2字節，對每一幀的數據進行16位CRC校驗，低字節在前。

3.2 網關程序設計

網關主設備的軟件設計是系統的關鍵所在，主要處理來自終端節點的數據和上層發送的控制指令。主要分為串口收發和以太網收發兩部分，其過程如圖6所示。由圖6可以看出，硬件上電后初始化應用程序，網關開始監聽網絡，其軟件工作為中斷模式，有數據到來后，對數據類型進行判斷[6]，調用不同的解析指令。

判斷不同相應的部分代碼如下：

Void Zigbee_Drive_Send_Data_To_Node（u16 Object_Short_Address，u8 Command_Writer_Read，u8 Object_Data_Action，u32 Send_Data） //ZIGBEE發送數據函數

{

Dma_Send_Buff_Send_Data_To_Node[4]=Object_Short_Address/256； //短地址

Dma_Send_Buff_Send_Data_To_Node[5]=Object_Short_Address%256；

Dma_Send_Buff_Send_Data_To_Node[6]=Command_Writer_Read； //讀寫命令

Dma_Send_Buff_Send_Data_To_Node[7]=Object_Data_Action； //寄存器

}

3.3 協調器程序設計

協調器是智能家居控制系統的主控節點，主要負責ZigBee網絡的建立及參數配置、接收采集終端發來的數據、實現節點與嵌入式網關之間信息的處理與交互，以實現對家電設備的信息查詢與控制。硬件上電后首先完成ZigBee模塊的初始化，之后協調器進行信道掃描，在協調器的網絡標識中選PANID來作為協調器的網絡標識，由此ZigBee網絡并等待將其他節點加入其中。完成網絡組建后，采用輪詢方式實現不同事件的管理，中心協調器進入一個無限的循壞工作狀態，如果監聽到無線電信號，解析相應的命令，根據不同任務類型，調用對應的任務處理函數進行處理。任務類型分為三種：新節點加入網絡、網關數據發送給終端節點以及終端節點發送給網關的數據。當任務完成后，系統回到判斷是否有無線信號的判斷過程，系統進入再一次循壞[7]。程序流程如圖7所示。

3.4 終端節點程序設計

智能終端主要接收家居設備采集的數據信息以及接收網關控制器通過ZigBee模塊發送來的命令，同時解析命令，然后操作相應的家電設備。系統上電初始化設備后，掃描信道尋找網絡并發送入網請求，如果發現網絡則請求加入網絡，協調器收到請求后發送加入確認信息，終端獲得響應被允許加入網絡后會分配到一個16位的網絡地址。如果在設定時間內，沒有收到路由器或協調器發送的信標信號，將自動重新發送入網請求。打開串口中斷、定時器中斷、各個I/O口中斷等，然后查詢UART是否接收到網關控制器發來的ZigBee信息，并不斷循壞檢測，檢測到信息后，對信息進行解析和處理，然后判斷是信息采集指令、家電設置運行指令還是對某個家電進行控制。如查詢室內溫濕度信息，終端節點將溫濕度信息通過協調器反饋給網關控制器。信息發送成功后，終端節點低功耗休眠模式，等待定時器喚醒。若發送失敗，則繼續發送，則繼續發送直到發送成功為止。程序流程圖如圖8所示。

解析數據類型的部分代碼如下：

void usart_usart（void）

{

if（usart_ok！=0）//接受完畢

{

if（（usart_buff_long==8）||（usart_buff_long==12））//判斷協議長度

{

if（usart_buff[send_zero]==read） usart_fasong（usart_buff[JICUNQI]，DU）；//讀

else if（usart_buff[send_zero]==write） usart_jieshou（usart_buff[JICUNQI]）；//寫

else if（（usart_buff[send_zero]==send）&&（send_back！=0））//上傳返回并且還未驗證

{

…//驗證程序

{

}

3.5 客戶端程序設計

智能家居客戶端管理平臺設計目的是用戶能夠查詢家居設備運行狀態信息及改變家電運行狀態的功能。基于目前主流的可視化軟件開發技術，本文設計開發了3種不同的智能家居客戶端軟件管理平臺——基于Web的瀏覽器客戶端、Android系統手機客戶端、ios系統的平板電腦客戶端。

為了方便用戶使用，本文設計的客戶端軟件管理平臺采用統一的界面風格。遠程用戶可使用智能終端所搭載的Web瀏覽器，通過Internet訪問智能家居網關所搭建的Web服務器，以實現對家居系統的遠程訪問與控制。智能終端為智能手機及平板電腦等設備。本地用戶可以通過具備WI？鄄FI通信功能的移動設備接入智能家居網關提供的WI？鄄FI網絡，以實現對家居系統的控制；通過構建Web服務器，用戶通過Internet對家庭網關服務器訪問，實現對家居設備工作狀態的信息查詢和控制?；贏ndroid系統設計的手持終端設備，可以在家庭內部通過無線局域網訪問家庭網關服務器；也可通過運行在智能手機（Android）、平板電腦（ios平臺）上的終端軟件，用戶可以便捷控制各類家電設備和查詢數據信息。

4 系統測試

本文設計的智能家居控制系統支持多種訪問控制方式，為能夠測試所設計的系統是否達到設計要求，驗證系統的可靠性和穩定性，首先搭建好系統測試環境，如圖9所示。因篇幅有限，僅以訪問平板電腦客戶端控制燈具亮滅為例進行介紹相應的操作。登入客戶端成功后（如圖10所示），進入智能家居控制系統管理軟件主界面（如圖11所示），然后登入我的家居菜單項（如圖12所示），用戶就可以方便的控制家電設備的運行，點擊燈具執行器按鈕控制燈泡的亮滅，燈具成功打開后有相應的指示狀態顯示。根據實際測試表明，室內無障礙壞境下通信距離20 m左右。

5 結束語

本文設計了基于ARM和ZigBee的智能家居系統。系統采用ZigBee協議組建家庭網絡，實現了家居環境和設備的統一管理和控制，讓用戶能夠通過多種客戶端訪問和控制家居環境信息和設備。系統安裝方便、擴展性強，使用方便快捷，用戶可根據自己的需要設置不同的終端節點。系統經過測試運行可靠和穩定，為后續智能家居系統的開發提供了很好的借鑒。

參考文獻：

[1] 滿莎，楊恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式無線智能家居網關設計[J]. 計算機應用， 2010，30（9）：2541-2544.

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[3] 張毅，馬鈞元，楊校權. 基于Cortex和ZigBee的智能家居網關設計與實現[J]. 電視技術，2012，36（1）：56-58.

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[5] 龐泳，李光明.基于ZigBee的智能家居系統改進研究[J]. 計算機工程與設計，2014，35（5）：1547-1582.

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[7] 姚建峰，柳春華. 面向Zigbee技術的智能家居系統設計[J]. 信陽師范學院學報，2014，27（2）：299-302.