基于ZigBee的智能家居系統設計

張媛一，張景全，王春來

（國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

基于ZigBee的智能家居系統設計

張媛一，張景全，王春來

（國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

隨著無線通信技術和物聯網技術的發展，物聯網主要應用領域的智能家居將獲得更加廣闊的應用空間。課題首先分析對比其他無線通信技術，并在此基礎上設計了智能家居系統方案，建立了星形網絡拓撲結構。其次，對網絡設備進行了相應的硬件電路設計和軟件設計，實現了節點參數采集、數據路由與傳輸等功能。最后，對室內多點的溫度進行分布式采集，匯總至PC機顯示，實驗結果表明基于ZigBee技術的智能家居系統布線便捷靈活，系統擴展性強。

物聯網；智能家居；ZigBee

智能家居，即Smart Home，又名智能家庭、家庭自動化、網絡家居，它主要是結合自動控制、計算機網絡和網絡通訊的網絡化智能化的家居控制系統[1]。它旨在將家居生活有關的各種設備有機的結合在一起，從而集中管理，使家居電器設備等由原來的被動靜止結構轉變為具有能動智能的工具。通過全方位的信息高速交換，使家居生活更加的便捷、舒適、安全、有效、個性[2]。

1 課題概述

1.1 智能家居發展概況

智能家居系統是隨著電子、通信、信息技術的發展而發展的，它表現出短時間、高速發展的狀態。在發展得這30年來，國外以相對成熟的技術和經驗，形成了在以美國為首的智能家居開發使用的領先地位。我國雖起步相對晚，但由于國情等情況的特色，使得智能家居具有廣闊的發展空間。并且家居系統對現階段人類對生活的需求表現出的匹配，也使得智能家居系統受到很多企業和居民的青睞。

1.2 ZigBee技術

在目前智能家居系統所使用的技術中，主要有總線技術，電力載波技術，無線技術[3]。由于總線技術重新布線麻煩而且成本較高，電力載波技術存在本身固有脈沖干擾，容易造成傳輸不穩定，使得無線技術適合用于組建智能家居系統的家庭內部局域網[4]。部分典型無線通信的對比如表1所示。

表1 幾種無線通信技術的比較

通過與其他比較典型的無線通信技術進行對比，ZigBee以近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的顯著特點，很好得滿足了智能家居系統的成本與功能要求，這也是本課題選擇ZigBee技術的原因[5]。

ZigBee是一種雙向無線組網通訊技術，它基于IEEE802.15.4標準的個域網協議，采用自組網通信方式[6]。它的原理主要是通過像蜜蜂八字舞一樣的接力方式，由無線電波在整個通信網絡中傳遞信息。

1.3 智能家居系統的主要功能和整體設計結構

（1）系統的主要功能。智能家居系統有很多功能，它能控制整個家居環境，從小的燈開關，到家用電器的控制，再到家庭環境、背景音樂的使用等，而且還能進行擴展和補充。本課題中主要針對兩個方面：①家庭安防控制（人體紅外感應、室溫）；②家庭電器控制（照明、空調、窗簾）。

（2）整體結構設計。智能家居系統主要有三部分：遠程終端、PC和家庭內部zigbee網絡，其系統結構組成框圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統結構框圖

在本課題系統的功能主要集中于家庭內部ZigBee網絡，其網絡設備利用星形拓撲結構，連接家庭各種家庭設備和家庭電器，對家庭內部的安防和電器智能控制有很大的作用。通過連接由PC進行信號進行顯示和控制，遠程終端即是在遠端對家庭內部的環境進行查詢管理。在本課題中主要是集中于家庭內部ZigBee網絡，并通過PC對家庭環境進行檢測和簡單控制。

2 智能家居系統硬件設計

ZigBee無線網絡設備分為全功能設備（FFD, Full Functional Device）和精簡功能設備（RFD, Reduced Functional Device）[7]。此課題的ZigBee網絡由協調器（FFD）、路由器（FFD）和終端設備（FFD/RFD）組成星型拓撲結構。本課題選擇的ZigBee芯片CC2530，是2.4GHz的片上系統，很容易建立在基于IEEE802.15.4標準協議上。由于不同的網絡節點的功能有些許差別，所以在設計中，雖然均以CC2530芯片為核心，但外接電路的設計有所不同。

2.1 網絡協調器的設計

網絡協調器由ZigBee芯片CC2530為核心，配以其他外圍電路組成。外圍電路主要由接口模塊、顯示和鍵盤電路組成，再通過串口與控制中心PC機相連接實現信息的交互。其結構組成框圖如圖2所示。

圖2 協調器結構組成框圖

協調器各部分模塊的簡單概述：①電源模塊：CC2530正常工作需要3.3V，1.8V電壓，此電源采用LM1117-3.3V串聯穩壓芯片進行穩壓，通過開關來選擇不同的電壓值；②按鍵電路：按鍵分為上下左右、確認、取消按鍵，占用CC2530的三個I/O口：P0.4，P0.5，P0.6。而上下左右鍵采用內部AD采樣實現按鍵功能,確認取消鍵采用普通IO實現按鍵功能；③OLED電路：圖形點陣液晶顯示，該模塊提供了一個完善的驅動電路，提供了20個引腳作為和設備的連接接口，采用74HC595串并行轉換電路，使模塊的位并行數據通信，實現了較少IO線的擴展；④串口電路：RS232接口，采用負邏輯電平。UART采用TTL/CMOS邏輯電平來表示，再通過電平轉換為RS232邏輯電平，即由0V轉換為5～15V表示低電平0，高電平1由5V轉換為－5～－15V，在本設計中選擇SP3232EEA來完成電平轉換。協調器的外圍電路的電路匯總如圖3所示。

圖3 協調器的外圍電路的電路匯總

2.2 終端設備的設計

ZigBee網絡終端設備主要作用是：檢測模塊由溫度、人體紅外檢測電路等對家庭內部的環境進行檢測，通過ZigBee通信模塊將信息向上傳遞，并通過用戶的控制，從而通過控制模塊對燈、窗簾、空調等家用電器進行控制。其硬件電路結構圖如圖4所示。

圖4 硬件電路結構圖

（1）人體紅外檢測電路。人體熱釋紅外檢測模塊是檢測在測試范圍內是否有人活動。它是通過感應人體在傳感器附近的活動——靠近或遠離，然后在熱釋電效應的作用下，將人體紅外熱輻射的信號轉化成電信號，通過電信號上下波動來判斷。本模塊由熱釋電傳感器RE200B（采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射[8]）、傳感器處理芯片BISS0001（傳感器信號處理集成電路）和少量外接器件構成，檢測結果為開關量。其電路圖如圖5所示。

（2）溫度檢測電路。數字溫度傳感器DS18B20實時采樣環境溫度數據，通過一條線與CC2530連接，經微處理器處理后通過無線射頻信號發射出去，通過ZigBee網絡協調器或路由器接收，進而傳輸給遠程控制中心進行實時觀察和處理控制。在此設計中，DS18B20與CC2530的P0.7相連接。

圖5 人體紅外檢測電路

（3）電動窗簾控制電路。本系統中窗簾控制電路，旨在滿足家庭光線或家庭主人的意愿，通過CC2530的兩個I/O口P0.4和P0.5分別控制電機的正反轉，從而對家庭內的窗簾的開啟關閉進行控制。當P0.4為低電平、P0.5為高電平時，窗簾電路正轉，反之則反轉；當均為高電平時則停轉，如圖6所示。

圖6 窗簾控制電路

3 系統軟件設計

本系統選用的ZigBee芯片是TI/Chipcon公司的CC2530芯片，它提供免費的協議棧軟件TI Z-Stack（Z-Stack-2.2.0-1.3.0）。該系統的軟件開發平臺為：IAR Embedded Workbench for MCS-51 Evaluation。

3.1 ZigBee網絡協調器設計

網絡協調器負責無線網絡的組建、維護和管理，一方面對終端節點傳感器收集的信息進行接收并根據狀態進行報警或顯示；另一方面發送命令從而反過來控制從節點的狀態。在本設計中的協調器的具體建網過程如圖7所示，協調器工作流程如圖8所示。

3.2 ZigBee網絡路由器設計

在本設計中的路由器主要作用是對終端設備采集的信息進行轉發和狀態報告。其入網過程與協調器建網不同，它們被配置為上電即自動搜索加入網絡。其工作流程如圖9所示。

圖7 協調器建立網絡流程圖

圖8 協調器工作流程

圖9 路由器程序工作流程圖

3.3 ZigBee網絡終端節點設計

本設計中終端節點主要是分別完成檢測和控制。控制類的燈、空調、電動窗簾的控制主要是接收協調器發過來的控制信息，從而進行開關量的控制。檢測主要是對家居安防方面進行監視，旨在對家居內的環境進行監視以及盡早發現可能的危險。在此部分的人體紅外檢測以及溫度檢測，需要進行A/D轉換后再傳送給路由器或協調器，在本設計中主要是傳送給協調器，從而分別輸出一個開關量和顯示溫度數據。終端節點溫度流程圖如圖10所示。

圖10 終端節點流程圖

4 實驗結果與論證

通過在實驗室對協調器、ZigBee終端節點及PC機搭建了實驗平臺來對本智能家居系統的功能進行論證。本實驗平臺中，有網絡液晶擴展板、電池板、ZigBee無線高頻模塊（CC2530）、仿真器、PC機以及各種連線如USB連接線、RS232連接線等組成。網絡液晶擴展板集成了電源開關、復位等常用鍵以及按鍵、OLED顯示等模塊，將CC2530插到模塊接口，待燒寫后充當網絡協調器。在電池板上同樣安插CC2530并燒寫后用作終端節點使用。測試平臺組成如圖11所示。

圖11 溫度采集實驗平臺

ZigBee溫度采集：對室內多個地點的溫度進行分布式采集測量。通過該溫度采集顯示平臺來測試和驗證智能家居系統的部分功能。具體是：ZigBee終端節點采集室內某處的溫度，在通過ZigBee無線通信將采集的數據傳入至PC機，由串口調試助手來匯總顯示。串口調試助手顯示界面如圖12所示。

圖12 串口調試助手顯示

[1]韓江洪.智能家居系統與技術[M].合肥:合肥工業大學出版社, 2005.

[2]裘超,孟憲超,常帥.基于ZigBee的智能家居系統[J].電子設計工程,2011,19(22):14-17.

[3]花鐵森.智能家居系統核心技術探討[J].智能建筑電氣技術, 2009,3(1):92-98.

[4] Edgar H,Callaway.Wireless Sensor Networks：Architectures and Protocols[M].New York：Auerbach Publications,2003∶260-300.

[5]楊利亞.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在智能家居系統中的應用[D].浙江工業大學,2010.

[6]高守瑋.ZigBee技術實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[7]劉禮建,張廣明.基于ZigBee無線技術的智能家居管理系統設計[J].計算機技術與發展,2011,21(12):250-253.

[8]趙鵬飛.基于熱釋電紅外信息的人體身份識別研究[D].天津大學,2009.

The Programming Design for Smart Home Based on ZigBee

Zhang Yuanyi, Zhang Jingquan,Wang Chunlai
(Chengde electricity supply company,state grid JiBei electric power company limited,HeBei ChengDe 067000)

With the development of wireless communication technology and the internet of things , smart home which is the main application areas of internet of things will be widely used. After analyzing and comparing the other wireless communication technologies,the programming design of smart home is proposed and the star network topology is established.Secondly, the design of hardware and software of the network equipment are carried out, and the functions of node parameter acquisition, data routing and transmission are realized. Finally, the temperature of indoor multi-point distributed collection is gathered to the display of the PC. The programming design of smart home is convenient and fexible.

The internet of things;Smart home;ZigBee

TN915.5

A

2096-2789（2016）12-0012-05

張媛一（1991-），女，河北承德人，碩士，研究方向：調度自動化。