基于Zigbee 通信技術的智能家居系統設計

徐雍倡 石學文 王子健

(1、曲阜師范大學，山東 日照276800 2、山東大學（威海），山東 威海264209)

1 概述

21 世紀以來，信息化社會發展不斷提速，生活的方方面面也已經被信息化高科技產品包圍，人工智能技術和物聯網技術不斷地在改變著人類的生活方式，甚至思考方式。智能家居是新時代的應運而生，目前國內的智能家居已經進入了快速發展的階段，正是無線網絡技術以及傳感器的飛速發展，使得物聯網在我們日常生活中得到了越來越普及的應用。智能家居系統的平臺是家庭住宅，通過控制各種家居設備，成為集系統、結構、服務、管理為一體的智能系統。在智能的時代，可以借助計算機技術、單片機嵌入式技術、網絡通信技術來完成對家居設備的遠程智能控制，以此來便捷我們的生活。無線網絡的低功耗、無線通信等傳輸優點，也成為了家居系統發展的網絡方面的一大選擇優勢，越來越多的智能家居系統選擇無線網絡來實現，這是一大趨勢。現在涌現出了大量智能家居的解決方案，但其整體性能還存在很大的完善空間，往往是系統在能源利用率、長期穩定性以及可擴展性上還不足以達到一個高標準，難免會存在各式各樣的不足之處，各方面兼得完備的智能家居解決方案就少之又少。本方案在各個環節設計上，以節省能源、高效、準確，可擴展為前提，提升智能家居的整體性能，并具有更強的實用性，是一套行之有效的智能家居系統的解決方案。

2 系統總體概述及控制方案

本文采用物聯網技術實現智能家居遠程控制系統，完成了對家庭中各種環境參數以及電氣設備運行狀態的實時監控。為方便住宅主人可以掌握家庭中各種情況，該系統增加視頻監控和報警功能。該系統由家庭網關和多個傳感節點組成，通過組建ZigBee 無線通信網絡實現網關端協調器與底層環境監測傳感器和電氣設備控制模塊的數據通信，傳感層將采集的環境參數通過ZigBee 無線網絡傳輸給網關進行融合分析處理并上傳至云平臺，此外網關接收平臺下發的控制命令完成對家庭設備的控制。另額外設計的人機交互功采用微信小程序和觸摸屏兩種實現形式，為人們提供了各種豐富、個性化、方便舒適的服務，進一步提高人們的生活質量和水平（圖1）。

3 系統硬件電路設計

圖1 系統整體設計框圖

系統硬件電路設計主要分為兩個部分：網關電路設計、傳感層采集電路和控制電路設計。

3.1 網關電路設計。網關電路設計部分主要包括主控制器、ZigBee 協調器、網絡通信模塊電路設計三部分。3.1.1 主控電路設計。網關主控制器采用ST 公司生產的STM32F103C8T6 處理器，該芯片有3 路串口分別連接網絡模塊、協調器和觸摸屏。主控部分包括晶振電路、復位電路、濾波電路和下載電路。3.1.2 協調器電路設計。ZigBee 協調器傳輸模塊采用工作在2.4G 免費頻段的CC2530 作為主控芯片，利用CC2530 芯片實現控制服務器與設備間的數據傳輸和控制, 其能夠建立強大的網絡節點。CC2530 內部包含一個專門支持ZigBee 協議和底層協議IEEE802.15.4 的定時器，并且支持低功耗模式。ZigBee 技 術是 一種新興的近距離無線通信技術，它是IEEE802.15.4 協議的代名詞,根據這個協議規定的技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術。本系統中協調器是整個網絡中心，負責無線網絡的建立、數據采集傳輸以及各終端節點地址的分配，協調器與主控制器之間采用串口進行通信。3.1.3 網絡通信模塊電路設計。網絡通信模塊選用USR-WIFI232-B2，相比2G 而言，速度快，連接方便是它的選擇優勢。主控器將傳感器數據按照約定協議打包通過WIFI 模塊發送至云平臺，平臺對數據進行解析后，通過網頁和小程序進行顯示。WIFI 模塊接收平臺發送的控制命令并發送給主控制器。

3.2 傳感器節點設計。傳感器節點設計主要包括環境參數如空氣溫濕度、光照強度、煙霧濃度以及人體紅外檢測等。溫濕度傳感器選用數字溫濕度傳感器DHT11，內部高性能8 位單片機與電阻式感濕元件和NTC 測溫元件相連，具備抗干擾和快速響應的實際優勢。使用單總線與主控制器進行通信，采集數值靈敏精準。光照強度選用BH1750 傳感器進行采集，采用IIC 與主控制器進行通信，具有高靈敏度、高精度、性能穩定等特點。煙霧傳感器選用MQ-2，對液化氣、烷烴類、天然氣和煙霧等可燃性氣體進行檢測。讀取傳感器的數據采用ZigBee 的AD 轉換電路這一方式。人體紅外傳感器采用HC-S501，可以檢測出是否有人通過。燈光控制電路采用G3MB-202P 固態繼電器進行設計，繼電器與主控之間采用PC817 光耦進行隔離，可以通過改變占空比實現燈光強度的控制。風扇控制電路與燈光控制一致，傳感層主控制器均采用CC2530 芯片。

4 系統軟件設計

本系統軟件設計主要包括網關程序設計、無線傳感網程序設計兩個部分。

4.1 網關程序設計。本系統主控芯片選用STM32F103C8T6處理器，設備上電后首先進行系統初始化，配置定時器、串口和相關I/O 口，初始化完成后協調器等待接收終端節點上傳的數據，并發送給主控制器，主控制器將所有節點數據按照約定好協議進行打包，5 分鐘上傳平臺一次。其次網關接收平臺和觸摸屏下發的控制指令，并通過協調器發送至各節點。

4.2 無線傳感網程序設計。本部分主要包括ZigBee 協調器和終端節點程序設計。協調器工作后率先進行無線網絡的構建，同時等待終端節點加入網絡，并自動給每個節點分配不同的PAN ID，搭建好網絡后，協調器一方面接收各傳感器節點發送的數據通過串口發送給網關，另一方面協調器接收網關下發控制命令以廣播的形式將指令發送至各終端節點，實現對指定設備的控制。

4.3 人機交互設計。本系統采用微信小程序和觸摸屏兩種控制方式。微信小程序作為主要的人機交互界面，極大地提升了遠程控制體驗。通過小程序可以查看基本信息、實時數據、歷史信息、視頻監控以及報警記錄。其中報警功能通過服務器推送給小程序。采用HMI 串口觸摸屏進行輔助控制，方便用戶在家查看與使用。

4.4 系統調試。硬件電路的設計完成后，下載程序進行整體調試，網關設計合理并能穩定運行。網關電路板上設計wifi 指示燈，方便查看網絡連接狀態。終端節點設計美觀輕巧方便安放，每個節點上均設計一路指示燈用于查看節點是否正常工作。

網關和各終端節點整合后，進行聯合調試，系統平臺搭建如圖2 所示。

通過小程序以及觸摸屏，室內各項環境參數一目了然，通過控制按鈕可以實現對照明燈和風扇設備的狀態控制。

圖2 系統平臺搭建整體圖

圖3 歷史數據的小程序界面

此外通過小程序可以查看報警記錄、歷史記錄以及視屏監控。通過測試，驗證了系統的可行性與合理性符合設計初衷，整套系統經過長時間測試可以穩定運行。其中歷史數據的小程序界面如圖3 所示。

5 結論

本文充分利用各專業技術最大程度地解決物聯網家居的能耗、準確性、穩定性和擴展性問題，通過ZigBee 組建網絡實現了各傳感器與家庭設備統一管理、單獨控制的服務與管理集成系統，并應用網絡技術，通過小程序對家庭實時環境參數進行遠程訪問與控制，以及設計本地觸摸屏實時顯示各項參數，極大提升了人性化管理體驗，能夠構建一個更加穩定安全、簡易快捷、舒適智能的生活空間。