淺談基于ZigBee 嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

　　隨著信息科技的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)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為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)等集成各種家用電器、安防設(shè)施，通過(guò)綜合管理和監(jiān)控，為人們構(gòu)建更加節(jié)能、舒適、便利且安全的生活環(huán)境。通過(guò)對(duì)藍(lán)牙、UWB、Wi—Fi、紅外及ZiBee 幾種無(wú)線通信技術(shù)在工作頻段、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、通信距離、傳輸速率等方面的比較，再針對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量小，傳輸速度不高，要盡量縮短時(shí)延并保證較好的實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)ZigBee 技術(shù)最適合應(yīng)用于智能家居無(wú)線通信，它是基于IEEE802。 15。 4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有易組網(wǎng)、低成本、低功耗、短時(shí)延、高安全等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居、智能社區(qū)、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)前最新ZigBee 規(guī)范是Zigbee2007 /PRO 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用分層結(jié)構(gòu)，自下而上分別為物理層、媒體訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 物理層主要負(fù)責(zé)信道能力檢測(cè)，OTA 數(shù)據(jù)包的傳輸和接收及RF 收發(fā)器的啟動(dòng)與關(guān)閉，MAC 層在兩個(gè)對(duì)等MAC 實(shí)體間提供可靠鏈路，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用層定義ZigBee 設(shè)備類型和綁定服務(wù)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以通過(guò)ZigBee 技術(shù)組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（ Wireless Sensor Network） ，將環(huán)境中相關(guān)ZigBee 模塊加入到網(wǎng)絡(luò)中，利用各個(gè)傳感器對(duì)家庭各類探測(cè)器、傳感器、報(bào)警按鈕等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如煙霧傳感器用于室內(nèi)環(huán)境煙霧檢測(cè)，溫濕度傳感器用于探測(cè)空氣溫度和濕度，水浸傳感器用于探測(cè)積水，紅外人體感應(yīng)器和門磁用于防盜等，采集后的數(shù)據(jù)將通過(guò)2。 4 GHZ 無(wú)線以及Zstack協(xié)議棧傳遞給Cortex—A8 處理器，主要負(fù)責(zé)無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)信息的管理、處理及控制各終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作，完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將處理后的指令反饋給ZigBee 節(jié)點(diǎn)來(lái)控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)通斷或聲光報(bào)警。 手持設(shè)備和PC 機(jī)可以利用WIFI 網(wǎng)絡(luò)連接到以太網(wǎng)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制家電、智能安防或查看監(jiān)控視頻的目的。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2。 1 主控制板硬件設(shè)計(jì)

　　考慮到本系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)前比較穩(wěn)定的Android 4。 0 操作系統(tǒng)，所以在設(shè)計(jì)中主控制板選用了SAMSUNG公司S5PV210 開(kāi)發(fā)板，基于ARM Cortex—A8 處理器內(nèi)核，運(yùn)行主頻為1 GHZ，配置了512MB DDR2 RAM 內(nèi)存，MLC NAND Flash 容量為2 GB，內(nèi)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(gè)10 /100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)RJ45 接口（ 采用DM9000AEP） 用于網(wǎng)絡(luò)連接、1 個(gè)mini USB Slave 2。 0 接口、3 個(gè)RS232 串口、1 個(gè)RS485 總線接口、1 個(gè)CAN 總線接口、3 個(gè)USB Host 2。 0 接口、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)8 G 容量SD 卡座等，此外，還集成了Bluetooth、RF433、WIFI、ZigBee、3 G、GPRS 等無(wú)線通信接口和音視頻接口。

　　2。 2 ZigBee 模塊設(shè)計(jì)

　　智能家居控制系統(tǒng)采用TI 公司最新推出的CC2530 芯片作為ZigBee 無(wú)線通信主芯片，基于2。 4GHZ， IEEE 802。 15。 4 的RF 收發(fā)器、標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，可編程256 KB 閃存和一些其他強(qiáng)大功能，該芯片擁有豐富的外接端口，可運(yùn)行在多種模式下滿足各種系統(tǒng)不同環(huán)境下低功耗要求，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)SoC 解決方案。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)線CC2530 節(jié)點(diǎn)核心電路如圖3 所示，ZigBee 網(wǎng)關(guān)模塊主要是完成終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)采集的信息，然后通過(guò)串口將接收到的信息實(shí)時(shí)傳輸給智能終端應(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 ZigBee 其他節(jié)點(diǎn)模塊中則配置了水浸傳感器模塊防止廚衛(wèi)設(shè)施造成漏水事故，溫濕度傳感器用于精確測(cè)量室內(nèi)相對(duì)濕度與溫度，煙霧探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境煙霧，人體紅外探測(cè)器用于判斷是否有人進(jìn)出。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分包括ZigBee 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)Android平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)三部分。 ZigBee 節(jié)點(diǎn)軟件開(kāi)發(fā)主要是通過(guò)ZigBee 協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器與ARM 主控設(shè)備之間的信息交互以及被控節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　ZigBee 協(xié)議中包括三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)、星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。 星狀網(wǎng)通信方式比較簡(jiǎn)單，終端節(jié)點(diǎn)都直接與協(xié)調(diào)器通信，樹(shù)狀網(wǎng)通信方式增加了路由功能而且支持?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)狀網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)自愈能力，節(jié)點(diǎn)間的通信有多條通道，可以減輕沖突，信息傳輸穩(wěn)定性好、功耗低等。 綜合比較后，考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量有限以及成本費(fèi)用等，決定選擇星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)組建智能家居的家庭子網(wǎng)。Z—Stack 協(xié)議棧是基于ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由TI 公司推出的開(kāi)發(fā)IEEE802。 15。 4 /ZigBee 等技術(shù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，其軟件目錄結(jié)構(gòu)由OSAL 層、NWK、MT、MAC 層、HAL 層、App 層等組成，并通過(guò)API 接口函數(shù)來(lái)傳遞各層信息。

　　3。 1 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定參數(shù)、管理信息等功能，是整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的核心。 系統(tǒng)上電后進(jìn)行Z—Stack 協(xié)議棧和硬件初始化，然后協(xié)調(diào)器開(kāi)始掃描信道能量，建立網(wǎng)絡(luò)并生成網(wǎng)絡(luò)PANID 并配置

　　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 協(xié)調(diào)器偵聽(tīng)是否有子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，如有允許其加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址等。 與此同時(shí)，需要判斷發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求信息屬于控制命令還是查詢操作，針對(duì)不同情況分別控制相應(yīng)傳感器動(dòng)作或發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令。

　　3。 2 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)主要是根據(jù)需要上傳采集到的數(shù)據(jù)信息并接收用戶控制指令和查詢信息。 首先，模塊上電后初始化，進(jìn)行信道掃描并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，如成功入網(wǎng)，會(huì)被分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。 隨后，終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)信息，對(duì)接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步判斷，如接收到的是用戶控制指令，則調(diào)用傳感器執(zhí)行控制操作，如接收到查詢信息，則將獲取到的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

　　3。 3 上位機(jī)Android 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

　　Android 終端軟件主要包含三個(gè)布局頁(yè)面，有主頁(yè)面MainActivity、信息查詢頁(yè)面NewsFindActivity 以及網(wǎng)絡(luò)攝像頭控制頁(yè)面HomeVideoActivity，用戶可根據(jù)需要添加智能小車控制、燈光控制、溫濕度及電表查詢等功能，家居控制登錄界面，視頻控制界面。 首次登錄終端系統(tǒng)需要輸入監(jiān)控IP、端口號(hào)、用戶名及密碼，系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)可根據(jù)家中是否有人設(shè)置為布防或撤防，布防狀態(tài)下將實(shí)時(shí)采集家庭各項(xiàng)參數(shù)，有警情及時(shí)報(bào)警并往用戶隨身攜帶移動(dòng)終端上傳送監(jiān)控圖片，同時(shí)將情況反饋給小區(qū)物業(yè)。

　　用戶可以通過(guò)手機(jī)或Ipad 查詢電表、控制家電、物業(yè)咨詢等，小區(qū)物管也可將停水停電、續(xù)繳電費(fèi)等信息通知到用戶終端。

　　4 系統(tǒng)調(diào)控與測(cè)試

　　本系統(tǒng)最后需要在手機(jī)或者PC 端登錄App 軟件查看是否能夠與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器正常連接，對(duì)室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行采集和查詢并控制各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。 在調(diào)控過(guò)程中，我們還對(duì)傳感器與協(xié)調(diào)器之間網(wǎng)絡(luò)通信距離進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟包測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)外沒(méi)有障礙物情況下，采用ZigBee 技術(shù)傳輸距離可以達(dá)到10 米以上，數(shù)據(jù)基本沒(méi)有丟失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定可靠。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文依據(jù)人們對(duì)現(xiàn)代智能家居的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee 技術(shù)的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，通過(guò)ZigBee 協(xié)調(diào)器傳送給主控設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)家電控制、智能安防、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。 用戶可通過(guò)手機(jī)、便攜式設(shè)備隨機(jī)登錄到系統(tǒng)Cortex—A8 智能家居控制終端讀取或者控制設(shè)備數(shù)據(jù)。 經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可智能化控制家庭信息，系統(tǒng)可穩(wěn)定接收到各傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)，具有功能強(qiáng)大，低功耗，操作簡(jiǎn)便，綠色環(huán)保等特點(diǎn)。