基于ZigBee技術的智能家居實訓沙盤設計

劉振山

摘要：本文以智能家居為物聯網技術的典型載體，采用ZigBee、藍牙、App Inventor等相關技術，設計了集傳感器應用、無線自組織網絡、無線數據傳輸、移動應用開發等于一體的實訓沙盤。給出了系統的總體構成，硬件模塊，軟件設計。智能家居實訓沙盤是提升學生專業素養，進行物聯網專業技術學習的有效載體，也是培養其創新精神和提高綜合實踐能力的良好平臺。

Abstract： This paper takes smart home as the typical carrier of Internet of Things technology， and adopts ZigBee， Bluetooth， App Inventor and other related technologies to design a training sand table integrating sensor application， wireless self-organizing network， wireless data transmission and mobile application development. The overall structure of the system， hardware modules， and software design are given. The smart home training sand table is an effective carrier to enhance students' professional quality and carry out professional technology learning of the Internet of Things. It is also a good platform for cultivating their innovative spirit and improving their comprehensive practical ability.

關鍵詞：ZigBee;藍牙;智能家居;App Inventor

Key words： ZigBee;Bluetooth;smart home;App Inventor

中圖分類號：TP212.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0145-03

0 ?引言

隨著物聯網技術的發展，智能家居也逐漸走入千家萬戶。它能將住宅中各種通信設備、家電通過有線或無線的方式連接起來，并通過安置各類傳感器采集環境信息，實現對設備的自動控制和管理以及對家庭環境的監測和控制，為住戶提供安全舒適、高效便利的生活環境。并可通過網絡進行集中或異地的監控、管理。

智能家居是物聯網技術的典型載體，它融合了電子技術、自動化技術及通信、軟件等相關技術。本文依此為背景，設計集傳感器技術、ZigBee技術、藍牙、App Inventor等于一體的實訓沙盤，可加深對物聯網相關知識的掌握，大大提高學習興趣和實踐能力。

1 ?系統整體設計

本實訓沙盤由環境信息采集、數據無線傳輸、移動端應用三部分構成，如圖1所示。環境信息采集采用ZigBee無線自組織網絡技術，利用TI公司的CC2530F256芯片設計協調器以及節點板，搭建感知層網絡，確保傳感器以及受控件的數據和命令能夠以最小成本傳輸。數據無線傳輸采用HC-05藍牙模塊進行數據交互，移動端應用采用App Inventor完成安卓端程序開發。

本系統擁有光照、溫度和濕度傳感器以及各個房間的燈、電視、排風設備、門磁等受控件。當系統采集到光照度數據并與設定數據進行比較發現光照度不合理時，會及時的將數據上傳至手持終端，如果模式為全自動，則系統會根據設定數據自動對光照度進行調節，例如光照度不足時，系統會自動將房間的燈打開，為用戶提供光照。如果為手動模式，則管理者可以根據自己的判斷對家居照明進行控制。

2 ?硬件設計

2.1 傳感器選擇

在本系統中，傳感器采用了光照度、溫度濕度、可燃氣體這三種傳感器。通過這三個傳感器，可以實現整個系統光照控制、溫度控制和濕度控制。

2.1.1 光敏電阻

智能家居中通過對光照度的檢測實現對照明設備的智能控制。光敏電阻是檢測環境光照強度的常用傳感器。光敏電阻器對可見光的敏感性與人眼對光的響應非常接近，因此適用于本系統設計。

常用的光敏電阻是由制成的，常見制作材料為硫化鎘。光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。當入射光子射入到半導體表面時，半導體吸收入射光子產生電子空穴對，使其自生電導增大。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，光敏電阻在家居環境使用時通常加直流電壓。

2.1.2 DHT11數字溫濕度傳感器

溫濕度是家居環境的重要指標之一，對溫濕度的采集選用DHT11數字溫濕度傳感器。該傳感器內部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品可靠性高、長期穩定性好、品質卓越。另外還具有抗干擾能力強、超快響應、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。DHT11為4針單排引腳封裝，采用單線制串行接口，連接方便、體積小、功耗低，使系統集成變得簡易快捷。

2.1.3 可燃氣體傳感器

半導體型氣體傳感器是利用半導體氣敏器件同氣體接觸，造成半導體性質變化，來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。對于電阻式半導體型氣體傳感器，其阻值隨敏感氣體的濃度的變化而變化。在實際使用時，通常使用運放、比較器等信號調理電路，將阻值的變化轉化為模擬電壓輸出，再經AD轉換后進行后續處理。

2.2 ZigBee無線網絡

ZigBee技術是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術，而IEEE 802.15.4是針對低速率無線個域網制定的無線通信標準，具有低能量消耗、低速率傳輸、低成本等特點。因此ZigBee技術適用于布線困難、數據量少、數據變化緩慢、功耗要求高的工作場合。一個ZigBee網絡可以容納多達65000個無線節點，每一個ZigBee節點之間可以相互通信，通信距離可達75m。

本設計中，ZigBee節點模塊采用TI的CC2530作為核心。CC2530集成增強型8051MCU、和無線通信模塊，支持ZigBee 2007/PRO協議，是一個真正的片上系統（SoC）解決方案。

在智能家居沙盤中，由一個協調器節點、若干個終端節點組成一個ZigBee無線網絡。協調器節點連接各類傳感器和執行器，其中傳感器類節點負責環境信息采集和數據上傳，執行器類節點負責接收和執行指令。協調器負責組建網絡、無線節點數據的收發以及通過串口與藍牙模塊進行通信。

根據智能家居項目需求，采用ZigBee這種無線通信技術，適合低數據傳輸率、低成本、數據量少、低功耗、安全可靠性高的應用場景，做為該無線傳感器網絡的組網通信方式最為合適。

2.3 藍牙模塊

藍牙最早是一種用于手機與其附件之間相互通信的無線模塊，用于短距離無線通信，采用FHSS擴頻方式，按功能分為藍牙數據模塊和藍牙語音模塊。藍牙模塊可以避免射頻信號到中頻信號的變換，使系統結構簡單、實現簡單。本設計中使用的HC-05是一個低功耗，高性能無線收發系統，低成本，應用領域廣泛的藍牙模塊。可以通過串口連接單片機或ZigBee進行數據的通信，可在上位機上用AT指令對其參數進行配置。

3 ?軟件設計

3.1 ZigBee程序設計

主要由協調器端程序和終端節點程序組成。協調器程序負責接收終端節點的傳感器數據信息，并將信息通過串口發送至藍牙透傳模塊，同時也通過藍牙接收手機發送的控制命令，并將控制命令廣播至各終端節點。而終端節點負責傳感器信息的定時采集與發送，或者信息接收與控制命令的執行。

在程序部分，需要對ZigBee網絡中數據傳輸的格式進行修改。

/*****************SENSOR端發送數據格式說明*****************

0xFF0xFD：為固定數據頭（2byte）

Type：為發送數據類型（1byte）

len：為發送數據長度（1byte），數據長度不包含固定頭、數據類型、校驗位

DATA0-DATAn：為發送的數據（nbyte）

CheckSum：發送數據校驗和（1byte），校驗和為所有數據相加的低8位

***********************************************************/}

3.2 藍牙模塊設置

主要是通過AT指令集配置相關參數，如模塊名稱、配對密碼、數據傳輸速率等。在本設計中，模塊名稱為HC-05，配對密碼為1234，通信波特率為9600。命名如下：

AT + NAME = “HC-05”＼r＼n——設置模塊設備名為：

“HC-05”

OK

at+name？＼r＼n+NAME：

Beijin

OK

AT + PSWD = 1234 ?——設置配對密碼

AT + UART = 9600，0，0 ?——藍牙通信串口波特率為9600，停止位1位，無校驗位

3.3 App Inventor開發

由于簡單易實現，安卓端的開發使用了當下流行的Appinventor2。Appinventor是由Google公司開發的一款在線開發的Android編程工具軟件，通過圖像化積木式的拖放組件來完成Apps開發。Appinventor在2012年1月移交給麻省理工學院MIT的行動學習中心，并由MIT發布使用，目前已經發布到第2版本。

以下為關鍵代碼：

4 ?安裝測試

ZigBee協調器和終端節點程序燒寫完成后，連接好相應傳感器。根據智能家居沙盤分區情況安裝到相應的位置，如客廳、廚房、臥室等。系統加電后，可以在PC端查看傳感器節點是否已經成功組網，若為成功組網，則需要查詢PANID以及CHANNLID。只有在相同的PANID和CHANNLID下，整個網絡會成功組建。經過調試后，所有的傳感器已經成功加入網絡。App編譯打包后，安裝在安卓手機上。用手機搜索藍牙，并配對成功，在手機APP上查看房間的環境參數，操作家居系統中的控制設備，完成房間燈開關，電視機的開關，開啟/關閉廚房的排風設備等操作。當勾選聯動模式時，室內的照明裝置會自動隨光照值得變化而進行變化，并將光照數值及設備狀態同步到手機端。

5 ?總結

本設計以智能家居應用為載體，采用ZigBee、藍牙等無線通信技術進行數據采集和傳輸，采用App Inventor進行數據接收、顯示和控制，構成一套完整的物聯網教學及實訓平臺。包括了傳感器技術、短距離無線組網技術、藍牙應用、移動開發、電子技術應用、焊接與調試等物聯網課程的知識技能點。并且可以根據需要進行傳感器模塊的增減、采用WiFi無線傳輸、更換移動端開發方式等。該實訓沙盤對于提高學生實踐技能、掌握物聯網相關技術、開拓創新能力、科技普及展示等方面均可起到較好的作用。

參考文獻：

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