基于ZigBee與XBee的智能家居系統設計及其性能測試

李敏 唐惠玲 張沙清 高京廣

摘 要： 設計了一個以ARM與單片機為控制核心，以語音為控制信號，基于ZigBee與XBee兩種無線通信技術的室內智能家居控制器的性能比較系統。并對系統在這兩種通信方式下的通信距離、功耗以及抗干擾性進行了實驗測試與數據對比分析。經實驗分析結果表明，XBee無線通信技術通信距離更遠，功耗更低，抗干擾性更強。

關鍵詞： ARM； 智能家居； ZigBee； XBee； 無線通信

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0048?05

Abstract： A performance comparison system of indoor smart home controller based on two wireless communication technologies of ZigBee and XBee was designed. It takes ARM and microcontroller as its control core， and voice as its control signal. The experimental test and data contrastive analysis for the communication distance， power consumption and anti?interference ability of the system were conducted under the two communication modes. The experimental analysis results show that the XBee wireless communication technology has farther communication distance， lower power consumption and stronger anti?interference ability.

Keywords： ARM； smart home； ZigBee； XBee； wireless communication

0 引 言

目前國內外的智能家居控制系統大多數采用有線方式，其布線麻煩、控制效率低、維護困難、功能單一。近些年越來越多的智能家居產品開始采用無線控制方式，但由于協議標準不統一、開發難度大等，使其存在穩定性低、成本高、推廣難等缺點[1?2]。目前在智能家居領域采用何種無線控制方式，尤其是在室內智能家居領域一直沒有明確的答案。

一直以來，國內外科研工作者對智能家居的發展做了大量的工作，這些工作主要歸結為以下幾點：

（1） 控制器選擇的研究。控制器作為系統的“大腦”，它的合理選擇不僅關系到系統的功能實現，同時也決定了系統開發的難易程度，如文獻[3?4]重點分析了控制器的速度、存儲量、開發容易度及I/O口等；

（2） 通信方式的研究。通信方式主要分為遠程通信與近距離通信，如文獻[5]采用GPS/GPRS技術實現遠程監控通信功能，這一技術現已成熟，應用也非常廣泛。對于近距離通信，國內外科研工作者也做了大量的工作，文獻[6?7]研究表明，采用WiFi技術、藍牙技術等通信效果較好，但其存在功耗大、傳輸距離太近等缺陷[8]，不是室內智能家居的最佳選擇。近年國內外專家一直致力于近距離通信方式的研發，取得了可喜的成果，如最近興起的ZigBee技術與XBee技術，此兩種技術在諸多領域已有應用，如文獻[9?12]成功把ZigBee與XBee技術應用于煤礦數據采集、通信網絡的搭建以及智能家居。但ZigBee與XBee技術應用于智能家居系統設計的性能對比，目前還未見相關研究。

本文針對兩種新興的近距離無線通信技術在室內智能家居中的應用問題設計了一個集成ZigBee模塊和XBee模塊的兩種無線通信技術的室內智能家居控制系統，對兩種技術的傳輸距離、功耗和抗干擾能力進行對比實驗。

1 系統總體設計

為簡化對比實驗，硬件系統設計除ZigBee模塊和XBee模塊不同外，其他電路均采用相同電路，然后分別進行軟件編程與調試，最后對重要參數進行實驗測量與分析。系統的總體設計框圖如圖1所示。系統主要通過用戶語音進行控制。首先，系統通過信號接收與處理模塊對用戶語音信號進行接收、識別與處理，并將處理后的信息通過串行通信的方式傳輸給無線通信模塊，并由發射端傳送給接收端，接收端同樣采用串行通信將信息傳輸給家電控制模塊；家電控制模塊主要對發來的指令信息進行解讀，從而進行相應的控制操作，實現對家電的智能控制。

2 硬件系統設計

系統的硬件電路設計主要包括信號接收與處理模塊、無線通信模塊、家電控制模塊等，系統的整體功能主要通過各模塊功能的相互組合而實現。

2.1 信號接收與處理模塊

信號接收與處理模塊是實現用戶與系統交互的接口，本系統首先采用語音識別模塊，對用戶發出的語音指令進行識別與初步處理，然后通過單片機STC10F04XE對語音識別模塊輸出的數據進行讀取和進一步處理，最終傳輸給無線通信模塊發射端進行發送。

2.2 無線通信模塊

本設計主要是對兩種無線通信方式在室內智能家居應用中的性能進行對比研究，所以本系統在硬件設計時同時采用了兩種通信模塊，ZigBee模塊與XBee模塊。目前國內生產ZigBee模塊的廠家比較多，大致功能與效果相似，本文主要采用TI公司CC2530 芯片為核心的ZigBee模塊。XBee模塊是采用DIGI旗下MaxStream公司生產的無線通信模塊，它是一款超小型、低功耗，但功能完善的無線通信收發器。

兩無線通信模塊都自帶軟件開發包，可直接實現點對點無線通信，但都需提前對模塊的收發端進行匹配，才能實現正常數據通信。由于單片機的引腳電壓為5 V，而兩種通信模塊的引腳電壓為3.3 V，故模塊與單片機連接時，本設計采用光電隔離。兩模塊均進行串行數據通信，其發射部分電路連接圖如圖2所示，[VCC]為5 V電壓，通過AMS1117轉換為3.3 V電壓，給無線通信模塊供電，同時利用一個單刀雙擲開關控制各無線通信模塊的電源輸入，方便無線通信模塊單個測試。由于模塊接收端和發送端與微控制器的電路設計相似，所以只展示單片機與兩模塊發射端相連部分的電路圖。

2.3 家電控制模塊

家電控制模塊主要由控制器模塊、控制電路、顯示模塊、電源模塊等組成，其結構示意圖如圖3所示。家電控制模塊在工作過程中，主要由無線通信模塊接收端傳入的信息而觸發，通過ARM讀取接收端的信息，而產生相應的家電控制信號，家電控制信號再通過控制電路執行對家電工作模式的設置，同時利用顯示模塊對家電的運行狀態進行實時顯示。下面分別對各個模塊進行詳細地介紹。

2.3.1 控制器模塊

本模塊采用ARM作為主控芯片，是采用意法半導體公司推出的STM32F103RB。ARM主要負責對無線通信模塊接收端信息的讀取、處理與轉換，同時通過控制電路與液晶顯示電路實現對家電運行狀態的實時控制與顯示。

2.3.2 控制電路

該電路主要由二極管、三極管、繼電器等組成。二極管反向并聯在繼電器上，主要負責抑制與吸收繼電器在開啟或關斷瞬間產生的反向電動勢，從而對繼電器起到保護作用。三極管通過集電極與發射極與繼電器串聯，基極則連接ARM的I/O口，ARM通過基極控制三極管的導通與截止，從而控制繼電器直流通路的通與斷，實現繼電器通路的切換。繼電器采用5 V直流控制220 V交流的單刀雙擲繼電器，繼電器的常開端與公共端直接與家電電源電路串聯。

2.3.3 電源與顯示模塊

電源模塊主要為無線接收模塊、ARM、顯示模塊、控制電路等提供所需電壓。其主要由集成開關芯片MC34063，LM2596及AMS1117等構成。顯示模塊主要是對電器的運行狀態進行實時顯示，方便用戶監控。

3 系統軟件設計

由于兩無線通信模塊都自帶軟件開發包，所以在分別使用兩模塊時，其軟件設計流程基本相同。本設計的軟件系統主要包括三個部分：語音信號采集與處理、數據通信、家電控制。

語音信號采集與處理程序主要負責對語音命令循環采集、比較與處理；數據通信程序是利用無線通信模塊對數據進行完整的點對點無線傳輸；家電控制程序則是通過讀取通信模塊接收端的信息，完成相應的家電控制職責。下面逐一對各個程序進行詳細介紹。

3.1 語音信號采集與處理程序

語音信號采集與處理程序流程圖如圖4所示。上電后，首先初始化語音信號采集模塊，若有語音信號，則對語音信號采集模塊采集到的數據與預設的功能數據群進行逐一比較，判斷是否有相等數據，若有相等數據則調用信號發射子程序，否則返回，重新等待語音命令。預設的功能數據群是語音采集模塊對各家電控制命令解讀而產生的理論數據。

3.2 數據通信程序

數據通信程序主要由發射與接收兩部分組成。本設計采用兩種無線通信模塊，但采用相同的程序設計思路，其通信程序流程圖如圖5所示。發射部分上電后首先進行初始化，再判斷發射、接收是否能正常通信，通過信號指示燈判別。對數據存儲單元中由語音信息采集與處理程序得到的數據進行讀取與發送，由LED燈閃爍進行指示。接收部分，首先初始化，同樣判斷是否通信正常，正常則進入接收狀態，然后利用LED燈指示是否接收數據，最后將數據傳送給ARM數據存儲單元。

3.3 家電控制程序

家電控制程序主要是通過ARM對各個用電器的運行狀態進行實時控制與顯示。程序流程圖如圖6所示，首先初始化LCD顯示界面，然后讀取存儲單元中的數據，從而控制相應的家電，并且通過LCD進行實時顯示，方便用戶觀察。

4 系統性能對比測試

無線通信模塊在室內智能家居控制系統應用中主要有三個重要參數：

（1） 通信距離，由于室內有墻壁阻隔以及其他各種家用物品障礙物，通信距離的性能指標直接決定系統的可執行性；

（2） 抗干擾性，由于本設計主要應用于室內，所以抗干擾能力也是一個重要指標，直接影響系統的精準性，其干擾因素主要來源于墻壁阻隔干擾；

（3） 通信模塊的功耗，現如今大多數通信模塊屬于低功耗，很多產品采用電池供電，所以通信模塊消耗功率是一個衡量性能的重要指標。

這需針對這三個參數設計相應的實驗方案，進行對比實驗。

4.1 距離與抗干擾性測試

為考量無線通信方式在室內智能家居系統中的應用，對這兩種無線通信方式進行室內（存在墻壁阻隔）與樓道（直線可視）兩種環境下通信距離的測試，并且在空曠的室外也進行了測量。因為墻壁阻隔是影響通信距離與造成干擾的主要因素，所以距離與抗干擾性測試同時進行?？垢蓴_性能測試主要是系統在這兩種通信方式下，通過穿透墻壁的數量進行對比分析，從而判斷哪種通信方式抗干擾性更強，穩定性更高。圖7為ZigBee模塊接收效果圖，接收端模塊收發正常時信號指示燈由閃變為常亮，隨著距離的增加，到達一定距離后信號收發性能變弱，指示燈變閃，最終指示燈變滅，達到最遠通信距離。XBee模塊效果圖與其類似。

室內通信距離測試主要進行水平通信距離與垂直通信距離測試。水平通信距離即測試在室內同樓層間穿墻通信距離，垂直通信距離則是在不同樓層間進行通信距離測量。本設計選擇房間寬度約為5 m，樓層高度約為3 m的建筑進行測試，經測試得出ZigBee水平通信距離大約為10 m，穿越一間房兩堵墻，垂直通信距離約為10 m，穿越一層樓兩塊天花板。XBee水平通信距離約20 m，穿越三間房六堵墻，垂直通信距離同樣約20 m，穿越六層樓七塊天花板。兩者在室內通信距離測試中，水平通信距離與垂直通信距離效果相似。

樓道通信距離測試，本設計樓道選擇寬度約為1.5 m，樓道一側為建筑本身，另一側比較空曠，障礙物少，直線可視，符合大多數室內結構設計，經測試得出ZigBee樓道通信距離約為65 m，XBee樓道通信距離約為100 m。

室外通信距離測試，主要選擇在比較空曠的室外進行測量，此參數方便用戶安裝智能路燈、室外監控設備等器件。經實驗測試可知，ZigBee室外通信距離約為100 m，XBee室外通信距離大于200 m，都適用于不同需求的室外智能控制。

通信距離測試數據對照表如表1所示，由測試數據對比可知，XBee模塊不管是在室內、樓道、還是在室外都比ZigBee模塊通信距離遠，并且由室內通信測試可知，XBee模塊穿透的墻壁數量更多。綜上可知，室內通信距離遠、穿透力強，代表此通信方式抗干擾性強，在相同范圍內進行通信時穩定性更高；樓道中的通信距離也同樣說明上述優點；室外通信距離，說明用戶可在更遠的范圍內安裝所需的智能設備，更加滿足用戶的需求。

4.2 功耗測試

由于本設計除通信模塊不同外，其余均采用相同電路，所以系統的功耗測試差異就為無線通信模塊功耗的差異。利用變頻電源器給發射部分提供穩定的輸入，再通過智能電參數測量儀對發射部分電路工作時所需功率進行測量，如圖8所示，圖中儀器上有四個測試參數，左上代表市電輸入，右上代表電流輸入，左下為PF值，右下代表輸入功率。圖8（a）為ZigBee模塊單獨工作，系統無其他外圍電路工作時，由變頻電源提供穩定220 V市電，再通過電源轉換器轉換為5 V輸入，ZigBee模塊發射端所需的功率及電流參數。圖8（b）為XBee模塊通過相同的方式測出的所需電流與功率參數。

由圖8中的測試數據可知，采用ZigBee模塊的發射部分工作時所需功率為0.94 W，而采用XBee模塊只需0.69 W，從所需功耗參數比較可得，XBee模塊功耗更低，若采用電池，其使用壽命更長，更適用于室內智能家居。

5 結 論

本文設計了一個基于ZigBee技術與XBee技術的智能家居控制系統，并進行性能對比分析。經測試數據分析結果表明：應用XBee無線通信技術在室內、樓道、室外，其通信距離更遠；XBee無線通信技術抗干擾性更強，更適用于存在諸多墻壁、家電等干擾的室內家居應用；在相同條件下，應用XBee無線通信模塊功耗更低，若采用電池供電，其使用壽命更長。所以，XBee無線通信技術更加適用于室內家居智能控制系統，具有較高的實際應用價值。

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