淺談基於ZigBee 嵌入式智能家居控制系統的設計與實現論文

隨着信息科技的發展和經濟水平的不斷提高，人們對家居生活的安全性、高效性和智能性都提出了更高的要求。智能家居是以家庭住宅爲平臺，利用綜合佈線技術、自動控制技術、通信技術等集成各種家用電器、安防設施，通過綜合管理和監控，爲人們構建更加節能、舒適、便利且安全的生活環境。通過對藍牙、UWB、Wi—Fi、紅外及ZiBee 幾種無線通信技術在工作頻段、協議標準、通信距離、傳輸速率等方面的比較，再針對智能家居網絡數據傳輸量小，傳輸速度不高，要儘量縮短時延並保證較好的實時性等特點，發現ZigBee 技術最適合應用於智能家居無線通信，它是基於IEEE802。 15。 4 標準協議的一種短距離無線通信技術，具有易組網、低成本、低功耗、短時延、高安全等優點，在智能家居、智能社區、醫療監控、工業控制等領域都有很好的應用前景。當前最新ZigBee 規範是Zigbee2007 /PRO 協議標準，採用分層結構，自下而上分別爲物理層、媒體訪問控制層、網絡層和應用層。物理層主要負責信道能力檢測，OTA 數據包的傳輸和接收及RF 收發器的啓動與關閉，MAC 層在兩個對等MAC 實體間提供可靠鏈路，網絡層負責建立和維護網絡拓撲結構，應用層定義ZigBee 設備類型和綁定服務。

1 系統總體設計

智能控制系統的設計可以通過ZigBee 技術組建無線傳感網絡WSN（ Wireless Sensor Network），將環境中相關ZigBee 模塊加入到網絡中，利用各個傳感器對家庭各類探測器、傳感器、報警按鈕等設備的狀態數據進行實時採集，如煙霧傳感器用於室內環境煙霧檢測，溫溼度傳感器用於探測空氣溫度和溼度，水浸傳感器用於探測積水，紅外人體感應器和門磁用於防盜等，採集後的數據將通過2。 4 GHZ 無線以及Zstack協議棧傳遞給Cortex—A8 處理器，主要負責無線終端節點信息的管理、處理及控制各終端節點的運作，完成不同網絡間協議的轉換，將處理後的指令反饋給ZigBee 節點來控制繼電器，從而實現開關通斷或聲光報警。手持設備和PC 機可以利用WIFI 網絡連接到以太網，達到遠程控制家電、智能安防或查看監控視頻的目的。

2 系統硬件設計

2。 1 主控制板硬件設計

考慮到本系統運行當前比較穩定的Android 4。 0 操作系統，所以在設計中主控制板選用了SAMSUNG公司S5PV210 開發板，基於ARM Cortex—A8 處理器內核，運行主頻爲1 GHZ，配置了512MB DDR2 RAM 內存，MLC NAND Flash 容量爲2 GB，內置PowerVR SGX540 高性能圖形引擎，支持流暢的.2D/3D 圖形加速，外接1 個10 /100M 自適應以太網RJ45 接口（採用DM9000AEP）用於網絡連接、1 個mini USB Slave 2。 0 接口、3 個RS232 串口、1 個RS485 總線接口、1 個CAN 總線接口、3 個USB Host 2。 0 接口、1 個標準8 G 容量SD 卡座等，此外，還集成了Bluetooth、RF433、WIFI、ZigBee、3 G、GPRS 等無線通信接口和音視頻接口。

2。 2 ZigBee 模塊設計

智能家居控制系統採用TI 公司最新推出的CC2530 芯片作爲ZigBee 無線通信主芯片，基於2。 4GHZ， IEEE 802。 15。 4 的RF 收發器、標準的增強型8051 CPU，可編程256 KB 閃存和一些其他強大功能，該芯片擁有豐富的外接端口，可運行在多種模式下滿足各種系統不同環境下低功耗要求，是一個真正的片上系統SoC 解決方案。

本系統設計的無線CC2530 節點核心電路如圖3 所示，ZigBee 網關模塊主要是完成終端節點或路由節點採集的信息，然後通過串口將接收到的信息實時傳輸給智能終端應用開發系統。 ZigBee 其他節點模塊中則配置了水浸傳感器模塊防止廚衛設施造成漏水事故，溫溼度傳感器用於精確測量室內相對溼度與溫度，煙霧探測器用於監測室內環境煙霧，人體紅外探測器用於判斷是否有人進出。

3 系統軟件設計

系統軟件設計部分包括ZigBee 協調器軟件設計、終端節點軟件設計和上位機Android平臺軟件設計三部分。 ZigBee 節點軟件開發主要是通過ZigBee 協調器組建網絡，協調器與ARM 主控設備之間的信息交互以及被控節點與協調器之間的數據收發。

ZigBee 協議中包括三種網絡拓撲結構有：樹狀網絡、星狀網和網狀網。星狀網通信方式比較簡單，終端節點都直接與協調器通信，樹狀網通信方式增加了路由功能而且支持數據的轉發，網狀網具有網絡自愈能力，節點間的通信有多條通道，可以減輕衝突，信息傳輸穩定性好、功耗低等。綜合比較後，考慮到家庭網絡中設備數量有限以及成本費用等，決定選擇星狀網絡拓撲結構來組建智能家居的家庭子網。Z—Stack 協議棧是基於ZigBee 協議標準，由TI 公司推出的開發IEEE802。 15。 4 /ZigBee 等技術的基礎平臺，其軟件目錄結構由OSAL 層、NWK、MT、MAC 層、HAL 層、App 層等組成，並通過API 接口函數來傳遞各層信息。

3。 1 ZigBee 協調器節點軟件設計

ZigBee 協調器主要負責組建網絡、設定參數、管理信息等功能，是整個無線通信網絡的核心。系統上電後進行Z—Stack 協議棧和硬件初始化，然後協調器開始掃描信道能量，建立網絡並生成網絡PANID 並配置

網絡參數。協調器偵聽是否有子節點申請加入網絡，如有允許其加入並分配網絡地址等。與此同時，需要判斷髮送來的請求信息屬於控制命令還是查詢操作，針對不同情況分別控制相應傳感器動作或發送數據採集指令。

3。 2 ZigBee 終端節點軟件設計

終端節點主要是根據需要上傳採集到的數據信息並接收用戶控制指令和查詢信息。首先，模塊上電後初始化，進行信道掃描併發送入網請求，如成功入網，會被分配相應的網絡地址。隨後，終端節點開始偵聽網絡信息，對接收到的網絡數據進行進一步判斷，如接收到的是用戶控制指令，則調用傳感器執行控制操作，如接收到查詢信息，則將獲取到的傳感器節點數據通過ZigBee 網絡發送給協調器節點，終端節點軟件設計。

3。 3 上位機Android 平臺軟件設計

Android 終端軟件主要包含三個佈局頁面，有主頁面MainActivity、信息查詢頁面NewsFindActivity 以及網絡攝像頭控制頁面HomeVideoActivity，用戶可根據需要添加智能小車控制、燈光控制、溫溼度及電錶查詢等功能，家居控制登錄界面，視頻控制界面。首次登錄終端系統需要輸入監控IP、端口號、用戶名及密碼，系統當前狀態可根據家中是否有人設置爲佈防或撤防，佈防狀態下將實時採集家庭各項參數，有警情及時報警並往用戶隨身攜帶移動終端上傳送監控圖片，同時將情況反饋給小區物業。

用戶可以通過手機或Ipad 查詢電錶、控制家電、物業諮詢等，小區物管也可將停水停電、續繳電費等信息通知到用戶終端。

4 系統調控與測試

本系統最後需要在手機或者PC 端登錄App 軟件查看是否能夠與網關服務器正常連接，對室內傳感器節點信息進行採集和查詢並控制各節點的工作狀態。在調控過程中，我們還對傳感器與協調器之間網絡通信距離進行了點對點的數據丟包測試，發現在室內外沒有障礙物情況下，採用ZigBee 技術傳輸距離可以達到10 米以上，數據基本沒有丟失現象，數據傳輸比較穩定可靠。

5 結語

本文依據人們對現代智能家居的實際需求，設計並實現了基於ZigBee 技術的嵌入式智能家居控制系統，本系統利用傳感器實時採集環境信息，通過ZigBee 協調器傳送給主控設備，從而實現家電控制、智能安防、實時監控等功能。用戶可通過手機、便攜式設備隨機登錄到系統Cortex—A8 智能家居控制終端讀取或者控制設備數據。經測試，本系統已經達到了預期設計目標，可智能化控制家庭信息，系統可穩定接收到各傳感器數據信號，具有功能強大，低功耗，操作簡便，綠色環保等特點。