基于2.4G及ZigBee的物聯網智能家居控制系統設計

殷 明，李富華，侯匯宇

（1.蘇州大學 電子信息學院，蘇州215006；2.蘇州格美芯微電子有限公司，蘇州215011）

無線智能家居系統由于其靈活性、便攜性以及較低的安裝成本，開始日益普及。通過引入智能家居控制系統，可以方便地根據需求對家電設備進行針對性地遠程管理和控制，從而給人們帶來安全、舒適、高效的居住環境。

ZigBee 是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術[1]，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的場合以及典型的周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，因此非常適用于小型電子設備的無線控制指令傳輸。

目前ZigBee 智能家居控制方案眾多，如PC 上位機、嵌入式圖形用戶界面GUI（graphical user interface）、云服務器等交互方式。然而，這些交互方式也存在一些問題：PC 上位機需要通過連接線與網關相連，降低了網關的可移動性；由于大多數時間網關處于閑置待機狀態，使用嵌入式GUI 無形中增加了設備的開發成本及不必要的功耗，造成資源的浪費等；僅采用云服務器交互，無疑依賴于網絡的質量，降低了系統的魯棒性。因此，設計一套成本低、功耗低、魯棒性高、易于引入的智能家居系統，變得尤為重要[2]。

1 智能家居系統方案設計

文獻[3]設計了基于ARM 和ZigBee 的智能家居遠程監控方案，使用ARM11 處理器移植Linux 開發網關，使用ZigBee 和TD-LTE 無線終端系統構建網絡。該系統可以通過4G 網絡和ZigBee 相互通信，采用觸摸屏顯示家用設備的狀態信息及用戶手機發送的信息，用戶可以方便地輸入相關命令來控制家用設備[3]。

文獻[4]設計了基于Web 和GSM 的智能家居控制系統。該系統由ZigBee 模塊、樹莓派、智能插頭和GSM 調制解調器組成，用戶可以通過互聯網或GSM遠程靈活地監控家用設備[4]。

文獻[5]設計了基于ZigBee 和WiFi 的智能家居系統，以STM32 作為主處理器，用TI 的CC2530 芯片形成ZigBee 無線傳感器網絡。用戶可以通過智能終端設備與WiFi 模塊進行通信，以太網模塊可以將網關連接到互聯網，以實現對室內的遠程監測和控制[5]。

綜合成本、能耗、功能等方面，對3 個方案進行簡單對比。方案比對結果見表1。

表1 智能家居方案的對比Tab.1 Comparison of smart home solutions

結合上述問題，為進一步降低成本、功耗，增加智能家居的控制方式，在此設計了一種基于2.4G 和ZigBee 的智能家居系統。系統結構如圖1所示。

圖1 智能家居系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of smart home system

該系統由云服務器、網關節點、2.4G 遠程遙控節點及ZigBee 傳感網絡組成。網關主要負責ZigBee 傳感網絡與云服務器及遠程遙控的數據交互；ZigBee傳感網絡由協調器及各子節點組成，采用Z-Stack協議棧構建星型網絡進行無線數據傳輸[6]。煙霧傳感器與溫濕度傳感器負責家庭環境監測；紅外熱釋電傳感器負責家庭安防監測[7]；繼電器模塊用于非智能設備的遠程開關；燈光控制節點使用太陽能電池板與紅外熱釋電傳感器可以實現智能燈光調節。

各子節點將采集到的數據通過網關上傳至云服務器，云端數據同步至手機App；App（2.4G 遙控）控制指令通過WiFi 模塊（2.4G 接收機）傳給網關處理后，由協調器下發給相應終端節點，實現對各子節點的監測與控制。與傳統的紅外、藍牙等遙控方式相比，2.4G 遙控具有諸多優點[8]，不僅傳輸距離更遠而且擺脫了指向性等問題，采用2.4G 遙控器與網關交互，可以在進一步降低成本、功耗的同時實現人機交互的功能，提高產品的性能。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包括網關模塊、ZigBee 模塊及2.4G 遙控模塊。硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 System hardware block diagram

2.1 網關模塊

網關模塊由STM32 主控制器、WiFi 模塊、ZigBee協調器模塊，以及2.4G 接收機組成。其中，主控制器采用STM32F103ZET6 低成本、高性能32 位微控制器；WiFi 模塊采用樂鑫科技ESP8266 模塊；ZigBee協調器和子節點均采用TI 的CC2530F256 芯片；2.4G 接收機采用蘇州銳控公司的XM9816 芯片。XM9816 是一款自帶2.4G 高速無線收發模塊的單片機，集成有射頻收發器、頻率發生器、晶體振蕩器、GFSK 調制解調器等功能模塊。通過SPI/IIC 接口可對輸出功率、頻道以及協議進行靈活配置，內置CRC、FEC、自動應答和自動重傳機制，可以大大簡化系統設計并優化性能。

模塊采用完整電路方式設計，在最簡單的情況下，用戶只需連接電源線、地線，以及MOSI，MISO，CS，CLK 這6 根線即可使用。模塊采用微帶線，傳輸距離可達50 m 以上，具有體積小、功耗低、收發靈敏度高、價格低等優點。接收機電路如圖3所示。

圖3 2.4G 接收機電路原理Fig.3 Schematic diagram of the 2.4G receiver circuit

2.2 ZigBee 子節點模塊

入侵檢測采用HC-SR501 紅外熱釋電模塊； 煙霧報警采用MQ-2 可燃氣體傳感器模塊；溫濕度監測采用DHT11 溫濕度傳感器；繼電器開關節點采用多路繼電器模塊；燈光控制模塊由太陽能電池板、熱釋電傳感器及LED 燈組成。

2.3 2.4G 遙控模塊

遙控模塊采用同類型2.4G芯片XM9603 作為主控制器，以矩陣鍵盤作為控制輸入，使用電池供電。遙控器電路原理如圖4所示。

圖4 2.4G 遙控器電路原理Fig.4 Schematic of 2.4G remote control circuit

3 系統軟件設計

3.1 網關程序設計

網關上電后相應硬件初始化。協調器選擇PAN ID（personal area network ID）建立網絡，當節點加入網絡后，由協調器分配地址，隨后開始接收數據[9]。協調器收到的數據由STM32 通過WiFi 上傳至云服務器；WiFi/2.4G 模塊收到命令由STM32 通過協調器解析后下發給相應節點。網關模塊程序流程如圖5所示。

圖5 網關模塊程序流程Fig.5 Flow chart of gateway module program

3.2 ZigBee 子節點程序設計

在預編譯選項中增加NV_RESTORE=1 宏定義，這樣在子節點斷網重連后，協調器之前分配的短地址不變，協調器就可以繼續使用該地址進行點播通信[9]。

ZigBee 子節點程序流程如圖6所示。傳感器節點定時采集傳感器數據上傳；繼電器節點睡眠等待協調器消息；燈光控制節點具有4 種亮燈模式采用PWM 調光，根據指令切換模式。這4 種模式如下：

模式1為默認模式，夜晚，人體感應時微亮20 s；

模式2夜晚微亮，人體感應時最亮20 s；

模式3常亮；

模式4關閉人體感應并關燈。

圖6 ZigBee 子節點程序流程Fig.6 Flow chart of ZigBee terminal node program

3.3 2.4G 遙控與接收程序設計

由于ZigBee 和WiFi 均為2.4G 頻段[10]，故2.4G模塊采用WiFi 與ZigBee 間隔信道跳頻通信，以降低信道干擾，提高通信質量。遙控器上電睡眠，通過按鍵觸發喚醒，檢測到按鍵則發送對應的數據包，檢測到按鍵結束則立即進入睡眠，以實現低功耗與超長待機。接收機上電進入接收模式，若在規定時間內接收到正確數據則通過SPI 傳給STM32 處理，否則立即切換信道重新接收。遙控與接收程序流程如圖7所示。

圖7 2.4G 遙控與接收程序流程Fig.7 Flow chart of 2.4G remote control and receiver program

3.4 云服務器與App 軟件設計

網關通過WiFi 模塊連接到云服務器，本系統選擇機智云物聯網云平臺[11]。在平臺注冊并添加自己的數據點后，將生成的代碼包移植到網關代碼中，WiFi 模塊需要燒錄其官方固件，以便WiFi 模塊啟動后可以自動連接到路由和云平臺；使用其官方App 即可對設備進行遠程監控與管理，App 控制界面如圖8。在機智云服務器項目管理后臺可以查看設備連接情況，如圖9所示。

圖8 App 控制界面Fig.8 Graphics control interface of App

圖9 網關連接服務器Fig.9 Gateway connected to cloud server

4 系統測試

為測試系統的無線數據傳輸質量，評估系統的可靠性，在樓宇有障礙物情況下進行丟包率測試[12]。為模擬ZigBee 節點在家庭環境下的分布，將試驗節點放置在距離網關50 m 范圍內不同的位置，然后分別使用App 以及2.4G 遙控器對網關在不同距離下進行遙控。樓宇環境下2 種方式的丟包率測試結果見表2。

表2 樓宇環境下兩種方式的丟包率Tab.2 Packet loss rate of two modes in building environment

由表可知，隨著距離的增加，手機App 控制方式的丟包率基本為0，體現出物聯網的優勢，但這也依賴于網絡的質量，若網絡不穩定，丟包率將增加。與App 控制方式不同，2.4G 遙控方式不依賴于網絡，在20 m 范圍內丟包率為0，在20～50 m 之間，丟包率為1%，隨著距離的繼續增大，丟包率將進一步增大?？傮w而言，本文設計滿足要求，可以很好地實現對智能家居系統的控制。

5 結語

所提出的智能家居控制系統設計方案，使用了Zigbee 構建星型傳感網絡，以網關作為家庭傳感網絡與用戶之間的橋梁，通過云服務器用戶可以方便的對智能家居遠程監控，使用2.4G 遙控與手機App遙控的方式，用戶可以高效地對家居設備進行遙控，從而減少了室內布局布線的麻煩，同時也大大降低了成本及功耗。經過測試證明，該系統穩定可靠，具有成本低、功耗低、開發簡單、易于擴展和引入等優點，可以滿足用戶對智能家居的需求。