張媛一，張景全，王春來

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張媛一，張景全，王春來

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

隨著無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用領(lǐng)域的智能家居將獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。課題首先分析對比其他無線通信技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)方案，建立了星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其次，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)路由與傳輸?shù)裙δ?。最后，對室?nèi)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行分布式采集，匯總至PC機(jī)顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)布線便捷靈活，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；ZigBee

智能家居，即Smart Home，又名智能家庭、家庭自動化、網(wǎng)絡(luò)家居，它主要是結(jié)合自動控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)通訊的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)[1]。它旨在將家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)的結(jié)合在一起，從而集中管理，使家居電器設(shè)備等由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又悄艿墓ぞ?。通過全方位的信息高速交換，使家居生活更加的便捷、舒適、安全、有效、個(gè)性[2]。

1 課題概述

1.1 智能家居發(fā)展概況

智能家居系統(tǒng)是隨著電子、通信、信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，它表現(xiàn)出短時(shí)間、高速發(fā)展的狀態(tài)。在發(fā)展得這30年來，國外以相對成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，形成了在以美國為首的智能家居開發(fā)使用的領(lǐng)先地位。我國雖起步相對晚，但由于國情等情況的特色，使得智能家居具有廣闊的發(fā)展空間。并且家居系統(tǒng)對現(xiàn)階段人類對生活的需求表現(xiàn)出的匹配，也使得智能家居系統(tǒng)受到很多企業(yè)和居民的青睞。

1.2 ZigBee技術(shù)

在目前智能家居系統(tǒng)所使用的技術(shù)中，主要有總線技術(shù)，電力載波技術(shù)，無線技術(shù)[3]。由于總線技術(shù)重新布線麻煩而且成本較高，電力載波技術(shù)存在本身固有脈沖干擾，容易造成傳輸不穩(wěn)定，使得無線技術(shù)適合用于組建智能家居系統(tǒng)的家庭內(nèi)部局域網(wǎng)[4]。部分典型無線通信的對比如表1所示。

表1 幾種無線通信技術(shù)的比較

通過與其他比較典型的無線通信技術(shù)進(jìn)行對比，ZigBee以近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的顯著特點(diǎn)，很好得滿足了智能家居系統(tǒng)的成本與功能要求，這也是本課題選擇ZigBee技術(shù)的原因[5]。

ZigBee是一種雙向無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，它基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，采用自組網(wǎng)通信方式[6]。它的原理主要是通過像蜜蜂八字舞一樣的接力方式，由無線電波在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息。

1.3 智能家居系統(tǒng)的主要功能和整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)的主要功能。智能家居系統(tǒng)有很多功能，它能控制整個(gè)家居環(huán)境，從小的燈開關(guān)，到家用電器的控制，再到家庭環(huán)境、背景音樂的使用等，而且還能進(jìn)行擴(kuò)展和補(bǔ)充。本課題中主要針對兩個(gè)方面：①家庭安防控制（人體紅外感應(yīng)、室溫）；②家庭電器控制（照明、空調(diào)、窗簾）。

（2）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。智能家居系統(tǒng)主要有三部分：遠(yuǎn)程終端、PC和家庭內(nèi)部zigbee網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在本課題系統(tǒng)的功能主要集中于家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接家庭各種家庭設(shè)備和家庭電器，對家庭內(nèi)部的安防和電器智能控制有很大的作用。通過連接由PC進(jìn)行信號進(jìn)行顯示和控制，遠(yuǎn)程終端即是在遠(yuǎn)端對家庭內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行查詢管理。在本課題中主要是集中于家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并通過PC對家庭環(huán)境進(jìn)行檢測和簡單控制。

2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為全功能設(shè)備（FFD, Full Functional Device）和精簡功能設(shè)備（RFD, Reduced Functional Device）[7]。此課題的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器（FFD）、路由器（FFD）和終端設(shè)備（FFD/RFD）組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本課題選擇的ZigBee芯片CC2530，是2.4GHz的片上系統(tǒng)，很容易建立在基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上。由于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能有些許差別，所以在設(shè)計(jì)中，雖然均以CC2530芯片為核心，但外接電路的設(shè)計(jì)有所不同。

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由ZigBee芯片CC2530為核心，配以其他外圍電路組成。外圍電路主要由接口模塊、顯示和鍵盤電路組成，再通過串口與控制中心PC機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)信息的交互。其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)組成框圖

協(xié)調(diào)器各部分模塊的簡單概述：①電源模塊：CC2530正常工作需要3.3V，1.8V電壓，此電源采用LM1117-3.3V串聯(lián)穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，通過開關(guān)來選擇不同的電壓值；②按鍵電路：按鍵分為上下左右、確認(rèn)、取消按鍵，占用CC2530的三個(gè)I/O口：P0.4，P0.5，P0.6。而上下左右鍵采用內(nèi)部AD采樣實(shí)現(xiàn)按鍵功能,確認(rèn)取消鍵采用普通IO實(shí)現(xiàn)按鍵功能；③OLED電路：圖形點(diǎn)陣液晶顯示，該模塊提供了一個(gè)完善的驅(qū)動電路，提供了20個(gè)引腳作為和設(shè)備的連接接口，采用74HC595串并行轉(zhuǎn)換電路，使模塊的位并行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了較少IO線的擴(kuò)展；④串口電路：RS232接口，采用負(fù)邏輯電平。UART采用TTL/CMOS邏輯電平來表示，再通過電平轉(zhuǎn)換為RS232邏輯電平，即由0V轉(zhuǎn)換為5～15V表示低電平0，高電平1由5V轉(zhuǎn)換為－5～－15V，在本設(shè)計(jì)中選擇SP3232EEA來完成電平轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)器的外圍電路的電路匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器的外圍電路的電路匯總

2.2 終端設(shè)備的設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備主要作用是：檢測模塊由溫度、人體紅外檢測電路等對家庭內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行檢測，通過ZigBee通信模塊將信息向上傳遞，并通過用戶的控制，從而通過控制模塊對燈、窗簾、空調(diào)等家用電器進(jìn)行控制。其硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

（1）人體紅外檢測電路。人體熱釋紅外檢測模塊是檢測在測試范圍內(nèi)是否有人活動。它是通過感應(yīng)人體在傳感器附近的活動——靠近或遠(yuǎn)離，然后在熱釋電效應(yīng)的作用下，將人體紅外熱輻射的信號轉(zhuǎn)化成電信號，通過電信號上下波動來判斷。本模塊由熱釋電傳感器RE200B（采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射[8]）、傳感器處理芯片BISS0001（傳感器信號處理集成電路）和少量外接器件構(gòu)成，檢測結(jié)果為開關(guān)量。其電路圖如圖5所示。

（2）溫度檢測電路。數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)采樣環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過一條線與CC2530連接，經(jīng)微處理器處理后通過無線射頻信號發(fā)射出去，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由器接收，進(jìn)而傳輸給遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和處理控制。在此設(shè)計(jì)中，DS18B20與CC2530的P0.7相連接。

圖5 人體紅外檢測電路

（3）電動窗簾控制電路。本系統(tǒng)中窗簾控制電路，旨在滿足家庭光線或家庭主人的意愿，通過CC2530的兩個(gè)I/O口P0.4和P0.5分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而對家庭內(nèi)的窗簾的開啟關(guān)閉進(jìn)行控制。當(dāng)P0.4為低電平、P0.5為高電平時(shí)，窗簾電路正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)；當(dāng)均為高電平時(shí)則停轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 窗簾控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的ZigBee芯片是TI/Chipcon公司的CC2530芯片，它提供免費(fèi)的協(xié)議棧軟件TI Z-Stack（Z-Stack-2.2.0-1.3.0）。該系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺為：IAR Embedded Workbench for MCS-51 Evaluation。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)和管理，一方面對終端節(jié)點(diǎn)傳感器收集的信息進(jìn)行接收并根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警或顯示；另一方面發(fā)送命令從而反過來控制從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中的協(xié)調(diào)器的具體建網(wǎng)過程如圖7所示，協(xié)調(diào)器工作流程如圖8所示。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中的路由器主要作用是對終端設(shè)備采集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)報(bào)告。其入網(wǎng)過程與協(xié)調(diào)器建網(wǎng)不同，它們被配置為上電即自動搜索加入網(wǎng)絡(luò)。其工作流程如圖9所示。

圖7 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程圖

圖8 協(xié)調(diào)器工作流程

圖9 路由器程序工作流程圖

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中終端節(jié)點(diǎn)主要是分別完成檢測和控制。控制類的燈、空調(diào)、電動窗簾的控制主要是接收協(xié)調(diào)器發(fā)過來的控制信息，從而進(jìn)行開關(guān)量的控制。檢測主要是對家居安防方面進(jìn)行監(jiān)視，旨在對家居內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視以及盡早發(fā)現(xiàn)可能的危險(xiǎn)。在此部分的人體紅外檢測以及溫度檢測，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后再傳送給路由器或協(xié)調(diào)器，在本設(shè)計(jì)中主要是傳送給協(xié)調(diào)器，從而分別輸出一個(gè)開關(guān)量和顯示溫度數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)溫度流程圖如圖10所示。

圖10 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與論證

通過在實(shí)驗(yàn)室對協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)及PC機(jī)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺來對本智能家居系統(tǒng)的功能進(jìn)行論證。本實(shí)驗(yàn)平臺中，有網(wǎng)絡(luò)液晶擴(kuò)展板、電池板、ZigBee無線高頻模塊（CC2530）、仿真器、PC機(jī)以及各種連線如USB連接線、RS232連接線等組成。網(wǎng)絡(luò)液晶擴(kuò)展板集成了電源開關(guān)、復(fù)位等常用鍵以及按鍵、OLED顯示等模塊，將CC2530插到模塊接口，待燒寫后充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在電池板上同樣安插CC2530并燒寫后用作終端節(jié)點(diǎn)使用。測試平臺組成如圖11所示。

圖11 溫度采集實(shí)驗(yàn)平臺

ZigBee溫度采集：對室內(nèi)多個(gè)地點(diǎn)的溫度進(jìn)行分布式采集測量。通過該溫度采集顯示平臺來測試和驗(yàn)證智能家居系統(tǒng)的部分功能。具體是：ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)某處的溫度，在通過ZigBee無線通信將采集的數(shù)據(jù)傳入至PC機(jī)，由串口調(diào)試助手來匯總顯示。串口調(diào)試助手顯示界面如圖12所示。

圖12 串口調(diào)試助手顯示

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The Programming Design for Smart Home Based on ZigBee

Zhang Yuanyi, Zhang Jingquan,Wang Chunlai
(Chengde electricity supply company,state grid JiBei electric power company limited,HeBei ChengDe 067000)

With the development of wireless communication technology and the internet of things , smart home which is the main application areas of internet of things will be widely used. After analyzing and comparing the other wireless communication technologies,the programming design of smart home is proposed and the star network topology is established.Secondly, the design of hardware and software of the network equipment are carried out, and the functions of node parameter acquisition, data routing and transmission are realized. Finally, the temperature of indoor multi-point distributed collection is gathered to the display of the PC. The programming design of smart home is convenient and fexible.

The internet of things;Smart home;ZigBee

TN915.5

A

2096-2789（2016）12-0012-05

張媛一（1991-），女，河北承德人，碩士，研究方向：調(diào)度自動化。