基于Zigbee無線網絡智能家居系統的設計

李欣

摘要：隨著通信行業和科學技術的迅速崛起，我們的生活質量也在不斷提高，因此，人們對生活環境的方便、舒適、安全、智能也有了更高的要求。為了打造一個能夠對家用電器設備、照明、安防等進行集中控制的平臺，便于實現對家庭環境進行監視、檢測及遠程控制，設計了這個基于Zigbee無線網絡智能家居系統。使人們能夠享受到智慧家居帶來的安逸生活，更便捷、更智能、更安全。

關鍵詞：智能家居;Zigbee;遠程控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0158-02

1 系統設計總體方案

該設計是基于Zigbee技術的智能家居控制系統，該系統的核心主控制器使用STM32，由Zigbee模塊組成無線傳感網絡采集數據。Zigbee模塊將傳感器采集到的室內的溫度、濕度、煙霧、光敏等數據通過串口傳送給STM32主控制器。CC2530包含兩個串行通信接口，USART0和USART1，可以用來完成采集數據的傳輸。STM32對接收的數據進行處理，然后與設定的值進行對比，然后做出判斷，將結果顯示在LCD顯示屏。處理后的數據再通過Zigbee網絡反饋給終端節點，控制家居設備或電氣執行所對應的操作。智能家居系統具有本地控制和遠程控制兩種方式，本地控制是通過LCD顯示屏的控制面板來執行相應操作的，遠程控制是通過開發的手機APP來進行遠程控制。系統總體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計方案

該智能家居系統采用Zigbee模塊組建無線傳感網，主控制器選用STM32F103VET6，其他還包括繼電器控制模塊、光敏傳感器模塊、電源模塊、煙霧傳感器檢測模塊、光敏傳感器檢測模塊等，如圖2所示。

2.1 主控制器的硬件設計

STM32的外圍電路還包括時鐘電路、電源電路、復位電路、看門狗、串口等。

采用嵌入式Web服務器，讓用戶可以實時的通過網絡監控家中狀況，所有在本地可以實現的控制都可以通過網頁訪問來實現。

2.2 無線通信模塊的硬件設計

Zigbee模塊TI公司設計的無線通信模塊，在系統中各個模塊可以實現自組網互聯互通。在主控制器上的Zigbee模塊充當網絡協調器的角色，是整個網絡的核心核心，負責啟動整個網絡，并且是網關和路由器節點的聯系點。

2.3 終端節點的硬件設計

終端節點處在感知層，需要先和Zigbee模塊建立聯系，通過Zigbee模塊加入到網絡中，主要負責采集環境數據以及執行用戶傳送來的對各種設備控制的指令。

3 系統軟件設計方案

3.1 協調器軟件設計

整個網絡首先要開啟無線傳感網絡系統，啟動無線傳感網絡系統之后建立網絡標識等相關信息，然后等待其他節點向自己發送組網請求，等待一段時間后，完成組網。

在Zigbee協議棧進行IEEE數據包存儲轉發的過程中，都需要經過封裝以后才能進行數據包的存儲轉發操作，需要存儲相對應的數據包頭部結構進行轉發操作，根據Zigbee模塊的工作頻率來判斷Zigbee目前是處于哪種狀態，然后對數據進行處理，判斷哪些是需要接受到的數據信息，哪些是數據包的頭部結構。

3.2 Zigbee終端節點的軟件設計

終端節點在網絡的對底層，主要負責對智能家居中各種環境信息進行收集。上電以后首先進行初始化，向協調器發出關聯請求，通過父節點加入網絡后，返回一個段地址，采集數據的時候進入工作模式，空閑的時候進入休眠模式，終端節點通過事件驅動給它派任務，接到任務后開始采集數據或者執行控制指令，實現對具體傳感器的操作，采集好數據或者指令執行完成以后再將結果返回到IP網絡里。

3.3 應用層APP的設計

在Android應用層程序設計過程中，主要是針對Linux Kernel層、ApplicationFramework層和Application層的設計如圖3所示。

在該系統中，根據實際需要，系統的用戶有普通用戶和管理員等。

在注冊模塊的設計過程中，只要是符合要求的業務分析用戶與一些產品管理人員，都必須要完成注冊之后才能夠參與到業務分析中，具備對系統擁有一定的權限。

用戶通過身份驗證成功進入手機應用程序以后，就能從手機應用程序的登錄界面跳轉到應用程序的主界面上。主界面上包括情境模式設置、安防設置、家用電器控制、窗簾控制、房間切換、安安防系統控制、門禁系統控制等功能。例如當客戶在請求登錄進行頁面控制時，后臺會將頁面請求連接到后臺數據庫進行驗證，如果是合法用戶，就允許其對后臺數據庫有控制權限，將處理得到的結果反饋到應用程序中，并顯示給用戶。

具體實現機制：用戶單擊主界面設置模塊，瀏覽器向服務器發送頁面請求，請求調用配置文件，從服務器上得到業務邏輯控制類。應用程序直接調用嵌入式系統中的控制器方法，調用主控管理所需要IP數據包和IEEE數據包封裝的網絡參數信息和主控管理過程中所需要的數據庫基礎信息，通過數據庫業務邏輯類對主界面設置進行請求、應答及存儲，將獲取的所有信息存入到具體的數據庫表單中。系統將傳入的對象信息進行連接到數據庫進行檢測，并將需要的主控管理信息數據進行有效保存。在保存過程中需要對數據庫的存儲過程進行檢查，符合存儲要求的就直接存儲到數據庫中，不符合存儲要求的會直接給出的錯誤提示信息。用戶根據提示可以判斷數據存儲不成功的原因，對獲取的返回值進行預處理，將返回信息傳遞到應用程序主界面上顯示。

4 結語

本文分析了基于Zigbee無線網絡智能家居系統的設計方案，劃分了系統功能模塊和權限用戶的角色信息。設計了系統總體架構和框架，使用面向對象的設計理念，設計了智能家居系統各個功能模塊的具體功能。使用B/S結構構架，其中設計的包括基礎信息模塊的管理、登錄管理實現、主控方面的信息管理等。