基于ZigBee 的嵌入式智能家居網關設計

劉基成，田祎然，李國鋒

（牡丹江師范學院，黑龍江牡丹江，157000）

0 引言

隨著物聯網所依靠的信息采集、數據傳輸等技術的快速迭代，以及人們對生活品質安全性、舒適性與便捷性的不斷提高。物聯網的相關技術逐漸滲透到各個領域。智能家居被定義為“配備計算和信息技術的住宅，它可以預測和響應居住者的需求，通過家庭內的技術管理來提升舒適度、便利性、安全性和娛樂性”。基于物聯網的智能家居，采用無線局域網技術可以為各種設備提供更強的靈活性、流動性，更符合家庭網絡簡潔性、便捷性、模塊化、開放性及獨立性的通信特點，表現為利用無線通信設備（同居住環境中的各種物品松耦合或緊耦合）將日常生活相關的各種子系統協調地結合在一起，并與Internet 連接起來，進行監控、管理信息交換和通訊，實現家居智能化。因此將無線網絡技術應用于智能家居已經成為主流趨勢[1]。

在智能家居系統中，傳感器用于監測溫度、濕度、煤氣泄漏等一般參數。因此，隨著無線網絡技術的發展，人們更喜歡低數據速率、長電池壽命、不太復雜的協議作為高數據速率協議的替代方案。

ZigBee 技術是一種基于IEEE802.15.4 標準的無線網絡技術，主要用于小范圍內多節點間的協調通信，只需要很少的能量就能以自組網多跳的方式進行數據傳輸。因此被認為智能家居領域內的熱門通信協議。并且由于Wi-Fi 技術具有傳輸速率高、建設便捷等特性，將二者在智能網關中結合應用可以彌補ZigBee 技術只能進行低速率傳輸的缺陷，還可以將系統與Internet 連接，便于用戶在遠程通過支持Wi-Fi的設備控制家居設備。

本文在現有研究成果的基礎上提出了一種智能家居體系結構，并設計了該體系結構中的關鍵部分，如智能網關和智能終端軟件等。本文提出的體系結構具有廉價實用的特點。并且在智能家居管理應用程序中運行良好。系統解決了以下問題：(1)實現安全、節能、舒適、便捷的房屋管理；(2)將家庭安全防護系統與電源控制系統集成在一起，統一數據采集和控制；(3) 進行節能策略控制和遠程控制，必要時發出警告；(4)集成不同的通信協議如WSN 中的Zigbee、局域網中的TCP/IP 等。(5)數據管理，安裝了一個名為SQLite 的輕型數據庫，用于管理家庭網關的真實數據和歷史數據。

1 智能家居系統的架構及工作流程

該系統網關由控制器模塊(家庭網關核心)、LCD 顯示模塊、Wi-Fi 模塊、ZigBee 模塊(網絡協調器)、終端家居設備(煙霧探測器、語音助手、臺燈、智能開關等)構成[2]。系統整體結構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構示意圖

系統中的無線傳感器網絡是信息的采集節點和動作的響應節點，是整個系統的關鍵部分，網關起著信息傳遞的作用，實現了異構網絡ZigBee 與Wi-Fi 之間的交互通信，無線傳感器網絡收集的信息首先傳送到網關。遠程用戶發送的信息通過Internet進入家庭網關，在網關中對數據進行分析，并根據設定好的控制策略發出控制指令，通過無線局域網傳輸給智能終端設備。為了進一步對數據進行控制與處理，協調器集成了數據庫而且將所有家居設備的狀態存儲在其中。此外，用戶在智能終端設備上的操作也通過網關傳輸到底層傳感器網絡。

2 系統硬件結構實現

該系統硬件電路由MCU(Microcontroller Unit)電路、Zigbee 無線傳輸模塊接口、Wi-Fi 模塊、晶振電路、電源模塊等構成。系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構示意圖

MCU 選用意法半導體公司推出的STM32F103RCT6，它是一款帶有 Cortex-M3 的低端 32 位 ARM 微處理器，具有獨立的指令總線和數據總線來獲取指令和數據。可以同時訪問，互不影響。這種不占用指令總線的數據訪問方式提高了系統的性能。STM32F103RCT6 作為系統的主控制器，負責處理各種任務和協調不同模塊之間的通信。電源引腳（VDD 和VSS）連接到主電源電路，提供穩定的電源。LED模塊通過數據引腳與MCU 的GPIO 引腳連接，觸摸信號引腳（INT）連接到MCU 的中斷引腳。

本系統采用TI 的CC2530 芯片作為ZigBee 無線通信的核心。CC2530 使用的8051 CPU 內核是單周期8051 兼容內核。在串口通信模式下，將CC2530 的TXD 引腳連接到MCU 的UART 接收引腳（PA2），將CC2530 的RXD 引腳連接到MCU 的UART 發送引腳（PA3）。RESET 引腳連接到MCU 的PB12 引腳，用于復位CC2530 模塊[3]。ZigBee無線通信模塊接口電路如圖3 所示。

采用ESP8266 芯片作為 Wi-Fi 模塊控制器，ESP8266屬于串口型Wi-Fi，支持802.11 b/g/n/e/i 標準。采用TCP/IP 協議進行無線數據傳輸。由于ESP8266 芯片已經高度集成，使得其外圍電路設計比較簡單，只需要1 個無源晶振、1 個SPI Flash 及若干電阻、電容、電感。將ESP8266 的TXD 引腳連接到MCU 的UART 接收引腳，將ESP8266 的RXD 引腳連接到MCU 的UART 發送引腳。

3 家庭網關軟件設計與實現

連接兩個或多個相互獨立的網絡時，家庭網關作為建立在傳輸層以上的協議轉換器發揮著重要作用。通常情況下，家庭網關接收一種協議的數據包后，將其轉換為另一種協議的格式進行轉發。Zigbee 協議棧采用分層結構，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、應用支持層和應用層，每一層為上一層提供服務。采集節點將節點地址信息和監測數據打包成Zigbee 幀形式，并發送給網關節點。當數據通過物理介質進入網關后，首先經過Zigbee 協議棧的解封裝過程，得到原始數據。網關可以利用操作系統上的應用軟件對原始數據進行必要的處理。隨后，原始數據經過TCP/IP 協議的封裝，通過USB 接口與Wi-Fi 通信模塊相連接[4]。Wi-Fi 網卡通過AP 路由器將數據傳輸到Wi-Fi 網絡中，并通過AP 路由器接入Internet，從而實現網關與Internet 的連接。為了實現系統的監測和控制功能，數據幀的設計包括前導碼、數據模式、目標地址、數據長度、數據信息和校驗等部分。其中，數據信息字段進一步劃分為方向位、功能類型和數據。方向位分為上行和下行兩種情況，上行傳輸監測數據，下行傳輸控制命令。

■3.1 ZigBee 無線網絡軟件設計

本系統采用星型拓撲結構，即將一個協調器作為中心節點，連接所有的終端設備。這種星型拓撲結構適用于設備數量較少且分布范圍不大的小規模智能家居系統。由于通信距離較遠，可以確保各個設備與協調器之間的穩定通信。然而，如果協調器發生故障，則整個系統將失去功能。

Zigbee 協議定義了協議的 PHY 層和 MAC 層。本設計模塊采用TI 的CC2530 作為主芯片。它基于 Z-stack 協議棧。ZStack 協議棧對Zigbee 網絡的每一層進行封裝，以函數的形式實現具體的功能，并為用戶提供API 編程接口。

因為ZigBee 無線網絡是由事前被定義為協調器的節點來建立的，所以協調器軟件程序的設計是ZigBee 組網的核心。主要負責建立和管理 ZigBee 網絡，通過串口實現與客戶端的信息傳輸，如終端節點接入網絡的應用、數據采集、命令解析等。網絡建立的過程如圖4 所示。具體步驟如下：(1)初始化協議棧。(2)創建協調器，每個網絡只能有唯一的協調器，初始化PAN 協調器的操作在事先設定好的設備上進行。(3)選擇PAN ID 和協調器的短地址，PAN ID 通過偵聽其他網絡的ID 然后選擇一個不會沖突的ID 來獲取，每個PAN 協調器都已經有一個64 位固定的MAC 地址，但是作為組網的標識，還必須分配給自己一個16位的網絡地址，即短地址，通常被定義為0x0000。(4)選擇射頻頻率通道，PAN 協調器進行一次能量掃描來找到一個相對空閑的通道，并以此建立網絡[5]。

圖4 ZigBee 標準網絡建立過程

協調器的主要功能是對ZigBee 網絡中的各個子節點進行管理，將上位機監控終端下達的測控信息通過ZigBee 網絡發送到需要監控的子節點，接收各子節點的狀態信息并將信息發回給上位機進行數據處理和保存。ZigBee 網絡協調器設備軟件流程如圖5 所示。

圖5 協調器軟件流程

網絡組建成功后，PAN 協調器設備將開放對應加入網絡的請求應答，在啟動網絡的同時，還要配置網絡的最大深度、最大路由設備個數以及最多的子節點個數，以便在子設備加入網絡時應用，在應用程序中，通過eEventId 的值來確定網絡是否已被啟動[6]。

一個設備如果需要加入網絡，首先要完成自己的初始化過程，然后進行通道掃描，它將在特定的頻率通道中發送信標請求，協調器檢測到信標請求后，將回應相應的信標請求來標識自己。網絡中出現PAN 協調器和至少一個子節點后，網絡就可以進行數據傳輸。

■3.2 Wi-Fi 模塊軟件程序設計

Wi-Fi 模塊用于Wi-Fi 模塊中的數據收發，支持三種通信模式：AP 模式、STA 模式、AP+STA 模式。本文將其配置成AP 組網方式，通過無線路由與其他設備交換數據.

(1)Wi-Fi 模塊上電后，初始化硬件和軟件；(2)設置Wi-Fi 模塊的參數，包括Wi-Fi 網絡的熱點名稱和密碼，連接超時的時間，多連接的設置；(3)判斷網絡中是否有客戶端連接。如果連接成功，可以在輸入正確的密碼后發送數據或接收命令。如果連接不成功，判斷其他客戶端的訪問。

■3.3 嵌入式數據庫SQLite 的實現

SQLite是一種輕量級的嵌入式關系型數據庫管理系統。它被設計為無服務器、零配置的數據庫引擎，意味著它不需要單獨的服務器進程或配置來運行。SQLite 非常小巧，核心庫的大小通常不超過幾百KB（根據編譯選項和版本而定）。SQLite 的使用非常簡單，只需要創建數據庫文件即可開始存儲和檢索數據，無須繁瑣的配置過程，SQLite 可以在處理器速度較慢、內存容量有限的設備上運行，同時不占用大量存儲空間和系統資源，這使得SQLite 成為嵌入式系統開發中常用的數據庫解決方案[7]。

SQLite 數據庫的編譯主要有以下步驟：(1)獲取SQLite源代碼，從SQLite 官方網站下載最新版本的SQLite 源代碼，并解壓到本地目錄；(2)配置交叉編譯環境：確保已經安裝適用于ARM-Linux 的交叉編譯工具鏈，并將其添加到環境變量中。(3)配置SQLite 編譯參數：進入SQLite 源代碼目錄，在命令行中執行以下命令：配置SQLite 編譯參數：進入SQLite 源代碼目錄，在命令行中執行以下命令：./configure --host=arm-linux --prefix=/path/to/install。(4)在命令行中執行以下命令進行編譯和安裝：

(5)移植到目標ARM-Linux 系統：將安裝好的SQLite庫文件和頭文件拷貝到目標ARM-Linux系統中的相應位置。通常，庫文件應該被放置在/lib 或/usr/lib 目錄下，頭文件應該被放置在/include 目錄下。(6)在應用程序中使用SQLite：在ARM-Linux 平臺上開發的應用程序中，可以使用SQLite 的API 進行數據庫操作。確保在應用程序中鏈接SQLite 庫文件，并包含正確的頭文件。

4 系統測試

為驗證該Wi-Fi—Zigbee 網關的性能，進行了如下實驗以測試兩組性能指標：(1) 在無障礙物和干擾狀態下，距離增加時數據丟包率和響應時間的變化情況；(2) 在有障礙物情況下，分別測試了多組數據，在不同傳輸距離下丟包率和響應時間的性能變化。測試圖如圖6 所示。

圖6 三種網關在不同環境下的測試圖

實驗結果表明，在無障礙物傳輸距離不超過50m 的情況下，Wi-Fi—Zigbee 網關相比Wi-Fi—藍牙網關具有明顯優勢。隨著傳輸距離的增加，丟包率穩定在約3%左右，相較于有線網關高出約2%左右，而響應時間波動在1ms 以內。這足以滿足正常家居環境的通信需求，并且其接收功率較低，非常適合家庭使用。

在有障礙物和干擾的情況下，Wi-Fi—Zigbee 網關的丟包率和響應時間略高于有線網關，但遠優于Wi-Fi—藍牙網關。這意味著Wi-Fi—Zigbee 網關在面對有障礙物和干擾的復雜環境時表現良好，具有較好的穩定性和性能。

因此，實驗結果證明了Wi-Fi—Zigbee 網關在智能家居系統中的優勢，尤其在無障礙物傳輸距離較短的情況下表現出色。它能夠穩定地傳輸數據并具有較低的接收功率。即使在有障礙物和干擾的情況下，它仍然比有線網關效果稍差，但明顯優于Wi-Fi—藍牙網關。

5 結語

考慮到人們對智能家居的新需求和以往智能家居系統集成度不高的問題，本文提出了一種較為先進的智能家居網關設計和實現的方案，將系統劃分成幾個不同模塊逐一闡述，以低價高性能STM32 處理器為主控制器，內嵌TCP/IP協議的Wi-Fi 模塊用來連接本地與遠程網絡。以 ZigBee 和Wi-Fi 為主構成的網關為系統各層次的連接提供了便捷的平臺。實驗結果顯示該系統具有很好的通用性、通信傳輸性能穩定優良，使得用戶能高效地控制智能家居設備。