基于ZIGBEE無線技術的智能家居系統設計

秦煜明 周盼 周柏任 董姜凌

摘 要： 在人們安全防范意識不斷提升、生活水平不斷提升的過程中，人們對自身的居住環境具有了更高的關注度，不僅對家居環境的舒適性以及人性化具有要求，對安全、智能也具有了更高的要求。在本文中，將就基于ZigBee無線技術的智能家居系統設計進行一定的研究。

關鍵詞：ZigBee無線技術;智能家居;系統設計

1 引言

智能家居控制是一個復雜程度較高的控制系統，為多種技術的融合應用，即在住宅為平臺的基礎上通過計算 ?機、網絡通信以及自動控制技術的應用結合系統當中各類子系統，在對網絡化、家庭化家居控制目標進行實現的基礎上使家庭生活具有智能、便利以及安全的特征。同普通家居相比，智能家居在具有傳統居住功能的同時能夠具有舒適安全以及高效節能的特點，能夠獲得更為人性化的生活體驗。

在智能家居實際應用當中，無線控制設備是非常關鍵的一項內容，就以往來說，控制設備具有較多的遙控終 ?端，不僅在管理方面存在難度，且使用較為復雜。在現今信息技術以及物聯網技術不斷發展的過程當中，手機則可以作為智能家居的控制中心使用，通過手機APP同無線通訊方式的應用在對研發制造成本進行降低的基礎上獲得更好的體驗。

2 ZigBee協議

在具體傳輸方面，傳統的WiFi以及藍牙方式受到價格、功耗、傳輸距離等方面的影響，而對其廣泛應用產生了一定的限制。在無線傳感網絡不斷研究發展的過程當中，ZigBee技術得到了發展，具有著成本低、網絡容量大、功耗低以及安全可靠的特征。在ZigBee協議棧當中，其具有四層結構的定義，即物理層、介質訪問控制層、網絡層以及應用支撐子層這幾部分。應用層框架方面，則由設備對象以及應用支持子層組成。在實際工作當中，由協議棧當中的各層對對應的任務目標進行完成，并在目前任務后向上層對服務與信息進行提供，在不同層間，通過接口邏輯鏈路方式的應用實現服務與信息的提供。網絡層方面，其支持星型、網絡網狀型以及樹形結構。在本研究當中，對星型結構進行使用，使用網關對其進行組建維護處理。

3 總體設計

在本研究當中，將以Android手機為控制軸心，通過WIFI或者公網（2/3/4G）與云端服務器連接，對ZigBee網關進行控制，Zigbee網關與Zigbee控制器使用星型組網和數據傳輸。

在實際應用當中，使用者在手機上安裝相應的APP軟件，再使用WIFI或者公網（2/3/4G）連接后云端服務器后，通過與云端服務器的命令交互，向Zigbee網關發送命令。Zigbee網關在接收到命令之后，根據云端服務器和Zigbee網關之間的協議，ZigBee網關根據命令控制對應的Zigbee子節點，達到控制被控對象和采集數據的目的，實現智能家居，實現達到智能化控制的目標。被控對象可以包括燈光、窗簾、空調、電視、熱水器、電飯鍋等，使用者通過手機APP登錄賬號，在APP圖形化的界面點擊不同的功能，控制不同的對象;傳感器采集功能方面，當系統監控區域發生警情或者其他情況時，在監控區域安裝的傳感器則會將探測到的警情信息或者其他的情況后，Zigbee子節點將采集到相關數據，Zigbee子節點將警情信息或者其他的數據實時的上傳到Zigbee網關，再有Zigbee網關上報到云端服務器，云端服務器將根據警情信息調用相應的接口，實時通知對應的報警平臺，并通過和手機APP的通訊協議推送警情到使用人的手機。

4 系統硬件電路

該系統由ZigBee子節點、Zigbee網關、Android手機、云端服務器以及各類傳感器組成。ZigBee子節點和網關為系統的主要電路設計，在本研究中，所使用的Zigbee基帶芯片為AT86RF212，該芯片集成700/800/900MHz頻段的收發器，中國WPAN頻段為779MHz至787MHz，1.8V～3.6V低電源供電，睡眠電流0.2uA，收發器關閉時電流為0.4mA，接收狀態為9.0mA，接收靈敏度達-110dBm，可編程發送輸出頻率可達+10dBm，可支持IEEE 802.15.4-2003標準[2]低數據傳輸速率（20和40kbit/s）并通過O-QPSK調制制式分別支持符合IEEE 802.15.4-2006[1]和IEEE P802.15.4c草擬修訂本[3]標準的選用數據傳輸速率（100和250kbit/s）。此外，還可實現特有的高達1000 kbit/s的高數據傳輸速率模式;子節點控制器采用超低功耗的MCU，型號為MSP430F5328，該MCU供電電壓范圍1.8V～3.6V，待機模式下功耗為1.4uA@3V供電時，具有多種低功耗模式，很適合電池供電的系統;網關MCU采用功能強大的LPC1766，該芯片采用的ARM Cortex-M3架構，主頻可達100MHz，支持RMII網絡接口和多路UASRT接口，符合本系統中Zigbee網關的需求。

5 軟件實現

5.1 手機監控界面

在手機端監控界面方面，主要具有燈光、窗簾、空調、電視、熱水器、電飯鍋控制按鈕、報警信息、連接狀態顯示等相關信息，通過按鍵方式對控制命令進行發送。同時，允許在同一時間具有多個子節點的接入，能夠對個子節點信息進行實時的顯示和控制。

5.2 軟件設計

子節點和網關軟件方面，采用ATMEL的BitCloud Zigbee協議棧，BitCloud完全兼用ZigBee?PRO和ZigBee標準協議。在更改協議棧配置的情況下，即能夠將協議棧實現對子節點的控制。系統軟件設計方面，子節點除了Zigbee協議棧外還包含硬件方面的初始化處理和業務處理程序;網關除了Zigbee協議棧外，還包含網絡方面的處理程序和業務處理程序。

6 結束語

在上述文中，我們對基于ZigBee無線技術的智能家居系統設計進行了一定的研究。該系統能夠對多種傳感器（例如氣體、溫濕度）的檢測、多種場景應用控制的實現，且具有報警、控制等功能，能夠在家居安全的基礎上為居民提供更為舒適、便捷的生活環境，具有較好的研究應用價值。

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[6] AT86RF212.pdf

（南京工程學院）