ZigBee技術支持下智能家居系統構建論文

0 引言

隨着電子技術在現實生活中的廣泛應用，智能家居應運而生。智能家居是以住宅爲平臺，利用計算機技術、網絡通訊技術將與家庭生活有關的設備結合起來，通過無線網絡實現遠程監控，它在保持了傳統居住功能的基礎上，提供了全方位的信息交換功能，優化了人們的生活方式和居住環境。

在智能家居中，通信網絡是整個系統的核心，採用無線組網方式使得網絡通信更加靈活、成本更低，其逐漸成爲智能家居的主流趨勢。Zig Bee 技術是基於 IEEE802.15.4標準的一種低功耗、低速率、低成本的無線網絡通信技術，具有強大的組網功能，在智能家居中運用廣泛。本系統設計的智能家居系統是通過 Zig Bee 技術組建的無線網絡與嵌入式 WEB 服務器通信，用戶只需通過訪問 Web 瀏覽器，就可達到對家庭環境數據的監測和對家電設備的控制，非常方便與高效。

1 系統設計方案

系統主要包括 Zig Bee 無線網絡和嵌入式 WEB 服務器，系統結構圖如圖 1 所示。

Zig Bee 無 線 網 絡 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 協 議 棧Z-Stack,採用星型拓撲結構，包括協調器與終端節點[1].協調器負責組建家庭內部無線網絡，接收終端節點發來的傳感器數據，通過串口將數據發送給嵌入式 WEB 服務器，並轉發服務器的控制命令給終端節點。終端節點採集環境數據通過無線網絡發送給協調器，並接收協調器的控制命令並執行。終端節點連接溫溼度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用於測量家庭環境數據，連接繼電器模塊控制家用電器。

嵌入式 WEB 服務器設計是在 STM32 微控制器上移植TCP/IP 協議，通過串口與 Zig Bee 協調器通信，通過以太網接口接入監控網絡，用戶使用電腦、手機等監控設備與終端設備交互。

2 系統硬件設計

2.1 Zig Bee 無線網絡硬件設計

Zig Bee 模塊採用 TI 公司的 CC2530 單片機。CC2530 單片機集成了 8051 增強型內核微控制器、RF 射頻收發器、片內可編程閃存、8KRAM、5 通道 DMA、8 路 12 位分辨率AD 等強大功能的一款射頻單片機[2].

2.1.1 終端節點設計

終端節點測量家庭環境溫度、溼度、煙霧濃度、紅外感應信號、光照強度等數據，並傳遞給協調器，接收協調器發回的命令來控制家用電器 .硬件結構圖如圖 2 所示。

終端節點連接的傳感器模塊有溫溼度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器。

溫溼度傳感器採用 DHT11,它是 1 款含有已校準數字信號輸出的溫溼度複合傳感器，包括 1 個電阻式感溼元件和 1 個 NTC 測溫元件，並與 1 個高性能 8 位單片機相連接，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。DHT11 通過單總線直接與 CC2530 的 P1.1 引腳相連接。

煙霧傳感器採用 MQ-2,它的探測範圍廣、靈敏度高、響應快、穩定性強，可用於液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等氣體的泄漏監測。MQ-2 與 CC2530 的 P0.7 引腳相連接。

熱釋電傳感器採用 HC-SR501 人體紅外感應模塊，它能檢測人發射的紅外線，從而判斷家中是否有人。HC-SR501 與 CC2530 的 P0.5 引腳相連接。

光照傳感器採用光敏電阻，光敏電阻使用半導體材料製作，利用內光電效應工作，它在光線的作用下其阻值減小，在黑暗的環境裏，它的電阻值增高。光敏電阻與 CC2530 的P0.1 引腳相連接。

控制模塊採用繼電器 SRD-05VDC-SL-C 來控制大功率的電器設備，繼電器與 CC2530 的 P1.5 引腳相連接。

2.1.2 協調器設計

Zig Bee 協調器負責調度各節點工作，其通過串口連接STM32單片機的USART2,在設置好相應的波特率等參數後，通過 TXD 和 RXD 引腳與 STM32 通信，轉發傳感器數據與接收控制命令。協調器與 STM32 的通信接口電路如圖 3 所示。

2.2 嵌入式 WEB 服務器硬件設計

2.2.1 微控制器模塊

微控制器採用了STM32增強型單片機STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的優勢，其工作頻率可達到 72MHz,具 有 內 置 高 速 存 儲 器、128K 字 節 的 閃 存、20K 字 節 的SRAM、豐富的增強 I/O 端口和外設，2 個 12 位的 ADC、3 個通用 16 位定時器、1 個 PWM 定時器，還包含先進的通信接口：2 個 I2C 和 SPI、3 個 USART、1 個 USB 和 1 個CAN.

2.2.2 以太網接口模塊

以太網接口採用了 ENC28J60 芯片，ENC28J60 是帶SPI 接口的獨立以太網控制器，它集成了 MAC 和 10BASE-TPHY、接收器和衝突抑制電路，支持全雙工和半雙工模式，最高速度可達 10Mb/s 的 SPI 接口，內置 8 KB 發送 / 接收數據包雙端口 SRAM,可配置發送 / 接收緩衝器大小、用於快速數據傳送的內部 DMA、硬件支持 IP 校驗和計算等[3].

ENC28J60 與 STM32 通過 SPI 接口連接，引腳連接圖如圖 4 所示。

3 系統軟件設計

3.1 Zig Bee 無線網絡軟件設計

Zig Bee 網絡在 OSI 參考模型的基礎上，結合無線網絡的`特點，採用分層的思想實現，各層從上到下分別是應用層、網絡層、介質訪問控制層、物理層[4] Bee 網絡的組建主要由 Zig Bee 協議棧的網絡層來實現，Zig Bee 網絡層爲新加入的節點分配地址、提供路由發現和路由維護等。協調器是 Zig Bee 無線網絡中的第一個節點，也是主節點，負責無線網絡的建立及參數配置[5].協調器通電後首先進行初始化，包括 CC2530 芯片初始化、協議棧初始化、串口初始化和硬件初始化等，然後調用 osal_start_system（） 函數進入操作系統，調用 ZDO_Start Device（） 函數啓動設備，建立網絡，並允許其它終端節點加入構成星型網絡，終端節點加入網絡後爲其分配地址，然後接收終端節點發來的傳感器數據，並轉發服務器的命令。協調器程序流程圖如圖 5 所示。

終端節點上電完成初始化工作後，查找是否有可加入的 Zig Bee 無線網絡，如果有 Zig Bee 無線網絡就自動加入，然後採集傳感器數據，發送數據到協調器，當接收到協調器發送的控制命令後，執行控制操作。終端節點程序流程圖如圖 6 所示。

3.2 嵌入式 WEB 服務器軟件設計

Web 服務器是在嵌入式 TCP/IP 協議棧的基礎上實現的一種應用程序。軟件設計分爲 3 部分：以太網接口芯片驅動程序的實現，嵌入式 TCP/IP 協議棧的實現，嵌入式 TCP/IP 協議棧對用戶數據進行收發處理。

實現 ENC28J60 芯片驅動程序主要是編寫驅動文件，函數模塊包括讀控制寄存器、向以太網控制器寫入命令、讀取 buff 的數據、向 buff 寫入數據、讀取控制寄存器的內容、寫入數據到控制寄存器、向 PHY 寫入控制參數、初始化以太網控制器、發送數據包函數、接收數據包函數。

實現 TCP/IP 協議棧是在微控制器上移植 Lw IP 協議棧。Lw IP 是一個小型開源的 TCP/IP 協議棧，它體積小，佔用內存小，適合在嵌入式系統中使用[6].移植要點是：複製 opt.h 文件到新建的 lwipopt.h 文件，並按照處理器資源與實際需求進行修改；編寫網絡處理文件 netconfig.c 與對應的頭文件 netconfig.h,主要是初始化 lwip 協議棧、系統時鐘中斷處理等；修改 ethernetif.c 文件的相關函數：網卡初始化函數（low_level_init）、發送數據函數（low_level_output）、接收數據函數（low_level_input）、數據輸入處理函數（ethernetif_input）。

嵌入式 TCP/IP 協議棧對用戶數據進行收發處理流程是：當用戶在瀏覽器中輸入 IP 地址來訪問 WEB 服務器，Lw IP 協議棧首先對請求信息進行解封裝處理後傳送到HTTP 任務模塊，HTTP 任務中的 CGI 程序對數據進行處理後選擇對應的網頁數組文件應答，網頁數組中的內容是採用 HTML 語言編寫的網頁文件，最後通過 TCP/IP 協議將網頁文件發送到瀏覽器[7].嵌入式 WEB 服務器的工作原理如圖 7 所示。

4 結語

本文設計了基於 Zig Bee 技術的智能家居系統，系統採用 Zig Bee 技術組建無線網絡、採集環境數據並遠程無線傳送，通過串口與嵌入式 WEB 服務器通信，用戶通過任何 1臺聯網的電腦和手機採用 WEB 瀏覽的方式就能訪問終端環境數據，並能及時準確的發送控制命令，這種方式靈活、方便、成本低，具有廣闊的應用空間。

參考文獻：

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[3]管 立 偉 , 盧 宇 , 吳 進 營 , 等 . 基 於 STM32 的 嵌 入 式 網 絡通 信 終 端 設 計 與 實 現 [J]. 陝 西 理 工 學 院 學 報 （ 自 然 科 學版 ），2016,04:23-28+38.

[4]趙榮陽 , 王斌 , 姜重然 . 基於 Zig Bee 的智能農業灌溉系統研究[J]. 農機化研究 ,2016,06:244-248.

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[7]於翰林 , 盧澤民 , 朱詠莉 . 基於嵌入式 Web 服務器的 p H 值檢測系統的設計 [J]. 江蘇農業科學 ,2015,01:390-393.