基于ZigBee技術的智能家居實訓設計

范小嬌 馬亞紅 邢卓 師韻

摘 要：為了推進物聯網工程專業實踐教學建設，該文開發了基于ZigBee無線通信技術的智能家居實訓方案。該方案以物聯網工程實訓平臺為基礎，以ZigBee網絡為載體，以家居環境監測、家電智能控制和安防預警為目標，將無線通信、單片機、智能控制等知識進行有機結合，使學生通過典型案例，掌握智能家居網絡構建的基本技能和應用。實踐教學研究證明，該實訓方案具有很大程度的可拓展性，為學生的進一步創新提供了一個開放的實驗平臺。

關鍵詞：智能家居;ZigBee;無線通信;單片機;綜合布線技術;Keil 4.0

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-0-03

0 引 言

自“智慧地球”提出以來，物聯網的概念在全球范圍內迅速被認可，并成為新一輪科技革命與產業變革的核心驅動力，更成為了我國的五大新興戰略性產業之一[1]。因此，對于物聯網工程專業的學生而言，掌握物聯網技術的應用是對現代應用型本科高校學生的重要技能要求。

智能家居（Smart Home，Home Automation）是以住宅為平臺[2]，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。可以看出，智能家居系統是物聯網技術在日常家居環境中的應用，開發智能家居實訓平臺能夠滿足學生對物聯網工程綜合訓練的需要，便于學生將理論與實踐相結合，提高學生的物聯網工程綜合應用技能[3-7]。

智能家居網絡從結構上來看，包括感知層、網絡層、應用層[8-9]，是由嵌入了電子元件、傳感器以及軟件的物理對象組成的網絡。由于應用型本科高校側重于培養一線應用型技術人才，故智能家居實訓方案應當側重于感知層與網絡層的構建與應用。目前全國有30多個高等院校相繼開設了物聯網工程專業及智能家居的相關課程，同時著力進行專業課程建設。但是對于不少高校而言，由于實訓設備的缺乏與不配套，使課程教學中偏重理論教學，而實踐教學不足，學生缺乏對物聯網整體系統的理解和對數據的采集、傳輸、處理等過程的直接感受，很難達到預期的教學效果。研究表明，只有通過與理論教學配套設計的實訓課程訓練，才能使學生更容易和有效地掌握物聯網及其相關技術的知識要點。目前創新型應用人才培養得到極大的重視，相關教學研究得到了推

廣[10-13]，為加強物聯網工程專業實踐教學的建設，本文基于物聯網工程實訓平臺，開發了基于ZigBee技術的智能家居網絡實訓方案，在完成實訓內容的基礎上，學生可以進一步進行創新設計。

1 實訓系統的組成

在智能家居系統中，已經普遍地將無線網絡技術應用于家庭網絡，不僅設計中流動性、靈活性高，更節約了綜合布線的成本，非常貼合家庭網絡的通信特點。在當前眾多的無線通信技術中，ZigBee技術具有低功耗、低成本、可靠性高、延時短、網絡安全性高和網絡容量大等優點，可工作在

2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，最高傳輸速率分別為250 Kbps，

20 Kbps和40 Kbps，傳輸距離在10～100 m。可適用于智能交通、智能家居、遙感勘測等領域。針對智能家居中網絡的需求可以看出，ZigBee技術非常適合于智能家居網絡的構建。事實上，市場上多個智能家居產品中都廣泛地應用了ZigBee技術，例如北京博力恒昌科技有限公司、南京物聯傳感技術有限公司、西安紫光物聯技術有限公司等。目前，國內可以購買到不同國家生產的多種ZigBee開發模塊，實訓方案中選擇的是美國德州儀器TI公司CC2530芯片，其包括一個高性能的RF收發器，并集成了一個8051微處理器以及其他強大的支持功能和外設。適用于實訓實驗的開發。ZigBee模塊如圖1所示。

智能家居實訓平臺由環境感知節點、被控節點、安防報警節點和控制中心四部分組成。其中，感知節點包括：溫濕度感知節點、光照度感知節點、甲醛感知節點和CO2感知節點;被控節點包括：照明節點、電源控制節點、直流電機節點和交流電機節點;安防報警節點部分包括：天然氣檢測節點、人體紅外檢測節點和緊急報警節點。智能家居實訓平臺系統如圖2所示。

2 實訓方案設計

在智能家居結構中，感知部分包括傳感器、處理器等，用于實現對家居環境數據的檢測。網絡層包括多個路由器節點和一個協調器節點，用來實現數據的傳輸;被控設備包括直流電機、交流電機、照明燈等部分，用來模擬空調、電扇、窗簾等設備;綜合控制中心和協調器節點相連，實現對家居環境和設備數據的監控。實訓方案包括建立ZigBee網絡：由協調器發起，多個環境采集量節點和控制節點作為路由器節點加入構成的網絡;實現智能控制：根據對應環境采集量的結果，實現對被控設備智能控制的功能;實現安防報警：根據對應環境采集量，進行家居環境預警，實現家居中環境采集節點的信息采集、控制設備和預警設備節點狀態的組網、無線信號傳輸和智能控制，是建立智能家居網絡的基本技能。

2.1 ZigBee組網

本次實驗目的是把環境量采集節點、控制節點等設備和協調器設備組網，形成一個ZigBee通信網絡。要實現平臺上各個模塊之間或者模塊和控制中心之間的通信，多個ZigBee模塊組網要求如下：各個模塊的信道號、網絡號必須相同，且在一個ZigBee網絡中，允許有且只能有一個協調器，其余節點均為路由器或終端設備。所使用的硬件設備包括：一個或者多個環境采集節點模塊、一個協調器節點模塊、ZigBee模塊的連接線和PC機的連接線。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發軟件和串口調試工具等。ZigBee組網示意圖如圖3所示。

（1）建立ZigBee無線網絡協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End-Device）的物理連接。

（2）建立ZigBee無線網絡拓撲結構。要求建立一個星狀拓撲結構網絡：首先，給協調器上電后，設定其通信信道和PAN-ID建立無線網絡，達到啟動網絡的效果;然后，各個環境采集量節點和被控設備等節點等作為終端設備加入該無線網絡。

（3）無線數據傳輸。加入網絡的路由器節點向協調器發送地址信息、網絡信息和數據信息，協調器節點通過輪詢的方式接收路由器發送的信息，并將這些信息發送到上位機（PC機）上。

實訓內容及現象：將協調器和計算機通過USB線連接起來，打開協調器的電源開關，利用ZigBee配置模塊軟件，設置為協調器節點并設定PAN-ID號和信號通道號，重啟模塊后，查看配置完成;依次將路由器模塊通過USB線和計算機連接起來，配置節點為路由器（Router），并配置其PAN-ID號和信號通道號與協調器的一致，完成路由器節點的配置。啟動Keil 4.0軟件編寫環境采集節點程序并編譯成可執行文件，通過JLink端口將程序燒錄至對應的STM32控制器。最后，配置完成后，把協調器節點連接到PC機上，通過串口查看各個環境采集節點的數據。

在實訓平臺上配置被控設備，如照明燈、直流電機、交流電機等，采用類似方法可以使之作為終端節點加入到已經建立的ZigBee網絡中，并可以通過與協調器連接的PC機串口，查看設備的運行狀態。

2.2 智能控制

圖4為家居設備智能控制圖。要實現家用設備的智能控制，以光照度控制照明燈為例，其工作原理為：當室內光照度值高于預設的高閾值時，自動關閉照明燈;當室內光照度值低于預設的低閾值時，自動打開照明燈。實驗目的是實現對照明燈的智能控制，達到智能化、綠色節能的效果。

所使用的硬件設備有光照度節點、協調器節點和PC機及照明節點。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發軟件和串口調試工具等。

以光照度控制照明為例，實驗步驟如下：

（1）完成所涉及的光照度采集節點、照明節點和協調器節點的ZigBee組網;

（2）在照明節點，編寫程序實現對節點網絡地址的讀取、獲取和廣播;

（3）在光照度節點，編寫程序實現對廣播的照明節點地址的獲取，并設定高低閾值，實現智能控制。

實訓內容及現象：利用ZigBee配置模塊軟件，按照實驗的步驟和方法，完成照明節點、光照度節點和協調器的組網;啟動Keil 4.0軟件編寫照明節點的網絡地址讀取、獲得和廣播程序，并編譯成可執行文件，通過JLink 端口燒錄至照明節點的STM32控制器;同樣地，使用Keil 4.0軟件編寫對廣播的照明節點的地址的獲取和完成光照度高低閾值的設定程序，并編譯成可執行文件，通過JLink 端口燒錄至光照度節點的STM32控制器;通過遮蔽物和手電筒，分別使光照度傳感器采集到的信息低于和高于設定閾值，驗證觀察照明燈的工作狀態。要求達到：當光照度高于設定的高閾值時，自動關閉照明燈;當室內光照度低于設定的低閾值時，自動打開照明燈。

智能控制是在實現ZigBee組網的基礎上開發的實驗，基于相同的原理，可以開發如下實訓：溫濕度傳感器節點智能控制直流電機（模擬空調和風扇）實驗、光照度控制電源繼電器（模擬窗簾）和甲醛傳感節點智能控制交流電機（模擬空氣凈化器）。

2.3 智能家居的安防報警

圖5為家居安防報警圖。家居的安防報警是智能家居的必要組成部分，以天然氣預警為例，其工作原理為：在安防節點檢測到異常信息時，發出聲光報警，并向協調器節點報告信息內容，由協調器節點再通過WiFi，Enternet或者4G網絡向用戶、物業管理部門發送報警信息。

所使用的硬件設備有安防節點、協調器節點和上位機。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發軟件和串口調試工具等。

以天然氣報警為例，實驗步驟如下：

（1）完成所涉及的安防報警節點和協調器節點的ZigBee組網;

（2）在安防報警節點，編寫程序實現對天然氣探測器信息的讀取、報警等程序的編寫;

（3）在協調器節點，編寫安防信息接收程序;

（4）上位機通過WiFi，Ethernet 或者4G網絡向用戶、物業管理部門發送報警信息（該步驟在本次實訓中不作要求）。

實訓內容及現象：利用ZigBee配置模塊軟件，按照實驗的步驟和方法，完成安防報警節點和協調器的組網;啟動Keil軟件編寫對天然氣探測器信息的讀取、報警等程序，并編譯成可執行文件，通過JLink 端口燒錄至天然氣報警節點的STM32控制器;把協調器節點連接到PC機上，通過串口查看各個天然氣報警節點數據，通過給予天然氣檢測器觸發信號（利用打火機等方法），觀察聲光報警和串口接收到的報警信息的變化。要求達到：當天然氣檢測器檢測到信號時，PC端接收到預警信息，并且聲光報警啟動;在未收到信息時，PC端無報警信息，且聲光報警器不啟動。

安防報警是在實現ZigBee組網的基礎上開發的實驗，基于相同的原理，可以開發如下實訓：

（1）利用緊急報警開關和ZigBee組網，開發在家中出現突發事件時，向既定用戶、相關部門報警;

（2）利用門磁、窗磁、人體紅外傳感模塊和ZigBee組網，開發對家居門窗安全的報警機制。

3 結 語

根據智能家居發展的需求，本文開發基于ZigBee技術的實訓方案，以家居環境監測、家電智能控制和安防預警為目標，將無線通信、單片機、智能控制等有機結合，使學生通過典型案例的實驗，掌握智能家居網絡構建的基本技能和應用。該實訓利用現有的物聯網實訓設備開展實踐教學，因而實驗更具有拓展性，為學生的創新設計提供了一個開放的實驗平臺。

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