基于ZigBee和GSM網絡的智能家居系統的設計

常亞兵，鄭建立，2

（1．東華大學 信息科學與技術學院，上海201620；2．東華大學 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620）

基于ZigBee和GSM網絡的智能家居系統的設計

常亞兵1，鄭建立1，2

（1．東華大學 信息科學與技術學院，上海201620；2．東華大學 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620）

設計并實現了一種基于ARM和ZigBee無線通信技術的智能家居系統。實現了對智能家居環境信息采集、數據傳輸及對家用電器的智能控制。系統用戶可以通過GSM網絡以手機短信的方式對家中電器的狀態進行查詢，還可以以短信的方式對家中智能電器進行遠程操作。

ARM；ZigBee；GSM；智能家居

在信息技術高速發展的今天，當前傳統的家居住宅僅作為一個簡單的居住物理空間，在很多方面已經不能滿足當前人們新的生活習慣和工作方式的需求。在這樣的背景下，智能家居的概念被人們提出來，智能家居系統也應勢而生，并得到迅速發展。它不僅可以優化人們的生活方式，還能在一定程度上緩解社會發展給人們工作上帶來的的精神壓力，給人們帶去既舒適安全，又簡單輕松的生活。隨著人民生活水平的提高，信息技術的快速發展，家居環境的遠程監控已越來越成為人們的迫切需求。當前，物聯網技術等的迅猛發展使這一切不再是夢想，智能家居正在越來越廣泛的進入到人們的生活之中［1］。

文中提出了基于ZigBee無線通信技術以及GSM通信網絡，并結合ARM嵌入式技術設計并實現了智能家居系統硬件平臺和軟件系統。

1　ZigBee技術

ZigBee，在中國通常被譯為“紫蜂”［2］，它是一種類似藍牙技術雙向無線通訊技術。ZigBee技術主要用于功耗低、近距離且傳輸速率要求不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。它與藍牙同屬于802．15協議家族。ZigBee協議具有低數據速率、低復雜度、低成本、低功耗等特點。ZigBee協議可以工作在2．4 GHz/868 MHz/915 MHz 3個不同的頻段，全球通用的是2．4 MHz，其中2．4 GHZ頻段上有16個信道，該頻段為免費、無需申請的無線頻段，其中工業科學、醫學所處頻段是整個全球所通用的，在這個頻段上，數據傳輸速率達到了250 kbps。在家庭傳感器網絡中，也正是由于ZigBee協議的這些特點，使其比藍牙、Wi-Fi等其它短距離無線通信技術更適合于那些對環境參數，如溫度、濕度、亮度以及等數據的傳輸速率要求不是很高，而對數據傳輸的安全可靠性、資源、成本、功耗等有明確限制的應用場合。

1.1ZigBee分層模型

IEEE 802．15．4/ZigBee協議是一種新興的短距離無線射頻通信協議。ZigBee規范是參照OSI 7層模型，ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）［3］等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802．15．4標準的規定。網絡層、應用層是ZigBee聯盟制定的。在ZigBee技術中，它的結構體系通常是通過層來量化的，每一層根據體系的需求要向上一層提供各種服務，而且每一層有不同的責任。每層之間的接口的服務是由邏輯鏈路來提供的。ZigBee協議棧體系結構如圖1所示。

1.2ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee具有強大的自組網能力，現實設計中，可以考慮根據具體的實際項目需要來選擇最適宜的網絡拓撲結構。在ZigBee網絡中有3種基本的邏輯設備類型，分別為路由器、協調器和終端設備。目前，比較通用的3種網絡拓撲結構為樹狀網、星型網和網狀網，拓撲結構如圖2所示。

圖1　ZigBee協議棧Fig．1　ZigBee protocol stack

圖2　ZigBee網絡拓撲結構Fig．2　Topology structure of ZigBee network

在ZigBee網絡中，支持兩種類型的物理設備:全功能設備（FFD）和精簡功能備（RFD）。FFD支持任何類型拓撲結構，可以成為網絡協調器或者網絡路由器，能與任何設備相互通信。RFD只能存在于星形拓撲結構中，也不能成為網絡協調器，只能和網絡協調器進行通信。

通常情況下，在ZigBee網絡中有一個協調器節點、多個路由器和多個終端設備組成，而且每一個網絡只允許包含一個協調器節點。星形網中有一個協調器和多個終端節點，沒有路由；樹狀網事實上就是一個協調器和終端節點距離較遠，需要另外加路由器的特殊“星狀網”；網狀拓撲是一種多跳的網絡結構，在它的網絡系統中有3種基本設備：終端節點、路由器和協調器，一般情況網狀型網絡結構相對復雜一點，同時需要多個路由器進行組網，每個路由器節點都具有數據轉發的功能。終端節點通過中間路由器作用，它的數據可以跳轉到達協調器，只要節點在對方的通信范圍內，就可以直接進行通信。鑒于實際的家居室內環境，以及數據信息傳輸在短距離、空間范圍相對不大的領域內，文中采用結構相對較為簡單、便于實現的星型網絡拓撲結構進行開發設計。

2　系統硬件總體設計

智能家居控制系統總體功能模塊圖如圖3所示。包括主控制模塊硬件設計和終端控制模塊硬件兩大部分。主控制模塊主要功能是實現用戶端和終端控制模塊的通信；終端控制模塊一方面用于實時采集家居信息（溫、濕度等物理量），另外用于接收用戶端命令并進行實時控制。

圖3　智能家居功能框圖Fig．3　Functional block diagram of the smart home

主控系統芯片使用S3C2440A微處理器，系統通過GPRS通信模塊實現與用戶無線通信，另通過ZigBee無線通信模塊操控終端控制平臺，終端控制平臺通過ZigBee通信模塊接受控制命令，并通過相應的控制電路控制家用電器產生相應的動作。系統用戶不僅可以隨時隨地的通過GSM網絡通過發送手機短信的方式對家中電器的狀態進行遠程查詢，也可以以發短信的方式對家中電器進行遠程操控。

2.1主控制模塊硬件設計

本系統基于ZigBee無線通信技術與GSM網絡進行家庭組網。主控制模塊由S3C2440A處理器芯片、ZigBee通信模塊CC2530、以太網模塊、顯示模塊、GPRS通信網絡模塊TR800、串口模塊等部分組成。主控制模塊硬件結構圖如圖4所示。系統通過GPRS模塊實現與用戶無線通信，通過ZigBee無線通信模塊實現終端控制設備與主控制設備的信息傳輸并接受控制命令，也可以通過控制電路控制終端設備以及采集室內物理數據信息（溫、濕度等物理量）［4］。

圖4　系統總體結構圖Fig．4　Structure diagram of the smart home

主控芯片選擇S3C2440A處理器，其基于ARM920T核心，0．13 μm的CMOS標準宏單元和存儲器單元。低功耗，簡單，精致，且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構如先進微控制總線構架（AMBA）。S3C2440A的突出特點是其處理器核心，是一個由Advanced RISC Machines（ARM） 公司設計的 16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實現了MMU，AMBA總線和哈佛結構高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16 kB指令高速緩存和16 kB數據高速緩存。每個都是由具有8字長的行（line）組成。通過提供一套完整的通用系統外設，S3C2440A減少整體系統成本和無需配置額外的組件。

GPRS網絡通信模塊和ZigBee無線通信模塊是通過串口與S3C2440A處理器相連的。GPRS通信模塊和ZigBee無線通信模塊的串口電平是相同的，都是標準的串口電平。串口接受電平+/-3 V～+/-15 V，發送電平為:+/-5 V～+/-15 V，由于S3C2440A處理器芯片所需的供電電壓為3．3 V，因此輸出的電平不能滿足標準的串口電平，故需要對串口模塊電路進行相應的電平轉換來滿足標準串口電平。

主控系統中GPRS模塊部分由IWOW公司的TR800模塊和SIM卡電路兩部分組成，它通過串口與S3C2440A處理器相連，同時還與SIM卡電路相連。相應的電路結構框圖如圖5所示。

圖5　GPRS功能框圖Fig．5　Functional block diagram of GPRS

CC2530無線通信模塊內部業界標準的增強型 8051 CPU，同時結合了領先的RF收發器的優良性能［5］，還有系統內可編程閃存，8 kB的RAM，以及其他許多其它強大的功能。CC2530通過串口與主控制板連接進行數據信息傳遞，實現與S3C2440A的通信功能。連接框圖如圖6所示。

圖6　ZigBee模塊與串口連接圖Fig．6　The connection diagram of ZigBee module and serial port

2.2終端控制模塊硬件設計

終端系統的硬件模塊，大致分為兩個控制模塊：家用電器的控制、模塊窗簾的控制模塊。終端控制硬件模塊框圖如圖7所示。

圖7　終端控制硬件模塊框圖Fig．7　Diagram of the terminal control hardware module

3　系統軟件設計

文中的軟件系統的設計主要是針對控制部分的軟件設計。控制部分軟件又分為主控端系統軟件和執行終端軟件，其中主控端處理器采用以linux-2．6．21．tar．bz2內核為基礎移植的linux操作系統［6］。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。它能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網絡協議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網絡為核心的設計思想，是一個性能穩定的多用戶網絡操作系統。系統中控制部分的軟件運行也分為兩大部分，其中一部分運行在主控制平臺三星S3C2440A微處理器上，另一部分運行在控制終端平臺的AT89C51單片機上，系統軟件流程如圖8所示。

圖8　控制系統軟件流程Fig．8　The process of system control software

智能家居控制系統主控制平臺軟件部分執行過程為：首先初始化硬件設備，通過ZigBee無線通信網絡發送查新指令到家用電器的處理器，從而可以獲得家用電器的開關狀態。然后再查詢用戶是否有相應的按鍵操作，如果有按鍵操作，則執行相應的指令來操控家用電器中包含的處理器，下一步通過反饋的信息狀態更改家用電器的開關狀態同時顯現出來。假如沒有相應的按鍵操作，系統將會繼續查詢有沒有收到系統用戶利用GSM通信網絡發來的短信息，如果收到短信息，則解析命令，再執行相應的指令操作要求，和前面的執行情況相同，通過反饋的信息更改家用電器的開關狀態同時也要顯示出來。

智能家居控制系統終端控制平臺軟件執行流程為:首先也要初始化硬件設備，查詢主處理器是否通過ZigBee無線通信網絡發來短信息，如果收到信息，則解析指令，同時系統將指向相應的指令，進行對應的操作流程，最后將修改完成后的家用電器的開關狀態反饋回來送回主處理器。

4　結束語

文中基于嵌入式ARM技術及ZiBee無線通信技術設計實現了智能家居系統硬件平臺和軟件系統。本文采用ZigBee無線通信的方式進行家居家電及設備內部組網，無需布線，便于安裝。當有新的家電設備加入時，只需要在新增加的家電設備中添加ZigBee無線通信模塊就能自動對其進行編址，從而可以實現對它的智能控制與監測。系統功能采用先進的模塊化設計，配置靈活，具有良好的擴展性，容易擴充和增加新功能。

［1］馮凱，童世華．智能家居的由來及其發展趨勢［J］．中國新技術新產品，2010（6）：7-7．

［2］王吉富，劉梧林，郭建光．基于ZigBee技術的無線傳感器網絡應用研究［J］．移動通信，2008（6）:29-32．

［3］丁雪蓮．ZigBee協議棧淺析［J］．電腦與信息技術，2013（5）：18-21．

［4］王瓊，李方偉，劉光明．無線局域網和GPRS網絡的互通［J］．重慶郵電學院學報自然科學版．2001（2）:19-21．

［5］章偉聰，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點［J］．計算機系統應用，2011（7）:1003-3254．

［6］邱巍．嵌入式linux操作系統移植［D］．武漢理工大學，2004．

Design of smart home system based on ZigBee and GSM

CHANG Ya-bing1，ZHENG Jian-li1，2
（1.Colloge of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Digital Textile and Apparel Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

An smart home system based on ZigBee ARM technology and ZigBee wireless communication technology was designed and realized．Realization of collecting the smart home environment information，data transmission and intelligent control for the home appliances．The system users can send mobile SMS via GSM network to get the status of the home appliances，and can also manipulate the appliances remote by sending mobile phone SMS．

ARM；ZigBee；GSM；smart home

TN92

A

1674－6236（2016）02-0132-03

2015-03-11稿件編號：201503146

常亞兵（1987—），男，河南許昌人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統。