基于ZigBee 網絡的智能家居節能系統設計

劉婷，李洋

（湖南信息職業技術學院軟件學院，湖南 長沙 410200）

隨著科技不斷進步，生活水平不斷提升，人們對于家居智能化有更多需求。目前，市場大部分智能家居方案存在價格較高、兼容性較差、連接節點較少的情況，導致智能家居普及度不高，節能性較差。針對以上情況，本文通過基于ZigBee 網絡創建智能家居節能系統，利用其傳輸信息可靠、可拓展性強和經濟價廉等特點[1]，將人體紅外傳感器和光敏電阻傳感器相結合，可以實現自動識別人員，根據光照情況自動啟停家居燈具，逐步緩解電力緊缺、共享科技創新成果、提高智能家居節電能力，對推進節能減排共建和諧社會具有實際意義，是促進社會自身可持續發展的重要途經。本系統具有成本低、節能效果顯著等優點，具有一定的推廣價值。

1 系統設計

如圖1 所示，基于ZigBee 的智能家居節能系統包括以下3 部分。

圖1 系統設計圖

信息采集模塊：所有房間需智能控制盒，智能控制盒內有2 個模塊：一個是信息采集模塊，即ZigBee終端設備；一個是電力控制模塊，用于控制家庭燈源供電系統。信息采集模塊由人體紅外感應器、光敏電阻傳感器組成。人體紅外感應器定期識別房內是否有人存在，如果房內有人，將繼續進行光敏電阻檢測，當房內光照較強時，數據返回給協調器，協調器通過串口將以下消息傳遞給電腦：有人在房內，需要開燈。電腦收到消息后，即可與燈開關進行確認，如檢測未開燈，立刻傳輸信號開啟燈源，如檢測已開燈，則不做其他操作。

信息接收模塊：信息采集模塊將每個房間的傳感器返回的信息發給ZigBee 協調器。

信息處理模塊：協調器將信息通過串口發給PC 端或者手機端，PC 端或者手機端根據傳感器狀態可以隨時遠程遙控房間燈控系統[2]。

2 硬件設計

2.1 開發板設計

主控制器采用市場主流ZigBee 芯片CC2530，CCC2530 是基于 2.4 GHz ⅠEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一個片上系統解決方案。可以通過極低的總材料成本建立強大的網絡節點[3]，廣泛應用于照明系統、工業控制和監控、低功耗無線傳感網絡、消費型電子、醫療保健等領域。CC2530 芯片引腳如圖2 所示。

圖2 CC2530 芯片引腳

2.2 節能系統設計

教室節能系統的終端節點負責采集各個房間的人員、光照情況，由ZigBee 協議射頻模塊CC2530、光敏電阻LM393、人體紅外傳感器HC-SR501 組成。HC-SR501、LM393 實物圖如圖3 所示。

圖3 HC-SR501、LM393 實物圖

2.2.1 人體紅外傳感器HC-SR501

人體都有恒定的體溫，約為37 ℃，因此會發出特定波長10 μm 左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10 μm 左右的紅外線而進行工作。人體發射的10 μm 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。人體紅外傳感器HC-SR501可以檢測3～7 m 內的人員。

2.2.2 光敏電阻LM393

光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。光敏電阻根據光亮強度，能夠實現不同電信號傳輸，也可以根據實際需要，調整靈敏度，用在各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅。

3 軟件設計

3.1 ZigBee 協議

無線自組網ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊[4]。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用技術[5]。ZigBee 通信協議由ZigBee聯盟定義，已經發布多個版本，其中ZigBee通信協議物理層與數據鏈路層是基于ⅠEEE 802.15.4 標準，路由層、網絡層是由ZigBee 聯盟定義。ZigBee技術具有大規模組網能力，最高支持65 535 個節點組網。

本文系統設計中主要應用ZigBee 技術中的2 種類型網絡設備：ZigBee 協調器節點、ZigBee 終端設備節點。

3.2 人體紅外/光敏電阻傳感器部分代碼

人體紅外讀取函數的功能是讀取房間內人員活動情況，當房間有人時，引腳電平為1，光敏電阻傳感器讀取函數的功能是讀取房間內光線情況，當房間光線較暗時，引腳電平為1。ZigBee 終端節點設備將采集數據發給ZigBee 協調器節點，在有人且光線較暗時，自動將房內燈光系統打開。關鍵代碼如下：

3.3 實驗現象

智能家居節能系統主要包含ZigBee 節點軟件和電腦端控制軟件2 個部分，軟件設計采用模塊化設計。

ZigBee 節點包括ZigBee 協調器節點、終端節點。ZigBee 終端節點部署在各個房間，終端節點設備接人體紅外傳感器、光敏電阻傳感器、電源線，主要功能為應用傳感器采集房內人員、光線情況，并通過電力控制模塊控制房間燈源供電系統。ZigBee 協調器是網絡中心節點，主要功能是與ZigBee 終端設備節點進行無線通信，同時通過串口數據傳輸將收到的傳感器采集數據上傳至電腦端，設備只需連接電源線，安裝對應串口驅動程序，連接電腦。協調器作為整個ZigBee網絡中的核心設備，起到組件和維護的功能，即使出現部分房間終端節點故障，也能夠在30 s 內完成重新組網。各個房間采集的數據通過ZigBee 協調器發給PC端或者手機端，根據采集情況，自動控制房間燈源供電系統，同時PC 端或者手機端也可以直接遠程控制房間開關燈[6]。實物圖如圖4 所示。

圖4 實物圖

4 結束語

本系統基于ZigBee 開發板、人體紅外傳感器、光敏電阻傳感器采集房間人員及光線信息，通過無線傳輸，實現智能家居節能系統的自動控制，在節能效率、節能成本方面有較大優勢，能夠提高智慧家居自動化管理能力。系統運行效果顯示，該設計方案有效可行，具有一定的應用價值。