基于ZigBee通信的智能家居控制系統

高慶云 天津職業技術師范大學研究生部

【摘 要】本文主要介紹智能家居控制系統各部分軟硬件設計。智能終端以STM32系列單片機為核心，配置相應外圍電路，移植μC/OS-II內核，編程實現對家庭網絡內部其他節點的遠程控制，并移植μC/GUI以提供人機交互界面。溫度、燈光控制節點以ATMega16單片機為控制核心，實現對溫度和燈光亮度的數據采集，使用ZigBee通信模塊將采集數據上傳給智能終端。控制節點可根據接收的命令或自行與設定值比較，再控制執行裝置，以達到改變室內溫度和燈光強弱的目的。

【關鍵詞】智能家居 ZigBee通信 μC/OS-II STM32單片機

【中圖分類號】TP315 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）23-0196-02

一 引言

智能家居是以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、自動控制技術、網絡通信技術和綜合布線技術，通過統一的網絡總線和控制平臺將家庭的電器設備控制系統、燈光控制系統、安全控制系統、能源管理系統等子系統有機地結合在一起，統籌管理，提供兼備建筑設備、網絡通信、信息家電等設備自動化。本文設計智能終端（家庭網關）、溫度控制節點和燈光控制節點，利用具有低功耗、低成本、短時延、大網絡容量、高可靠性等特點的ZigBee無線通信技術實現家庭內部網絡的控制，為家居智能化提供了一種有據可循的實現方案。

二 系統總體結構

系統總體結構是由智能終端、溫度控制節點和燈光控制節點三部分組成的閉環控制系統，各部分通過ZigBee無線通信模塊傳送數據。其中，溫度和燈光控制節點都具有數據采集能力，既可以將采集數據打包后上傳給智能終端，也能接收智能終端下發的執行命令。智能終端將兩個控制節點上傳的溫度和燈光數據匯總后，與設定值進行比較，所得結果以無線方式發送給各控制節點，控制節點在接收到命令后會自行判斷是否啟動相應的執行機構調節環境溫度和燈光亮度。智能終端還配有人機界面用以顯示采集數據，同時，也為用戶設定系統參數提供了便利。

三 硬件平臺設計

1.智能終端的硬件電路

智能終端以意法半導體（ST）公司研發生產的32位微控制器STM32F103VBT6為核心，增加ZigBee通信模塊、SD卡、LCD控制器、觸摸屏等外圍電路，實現無線通信、數據存儲和人機交互等功能。

ZigBee無線通信模塊。使用單芯片（SoC）解決方案實現ZigBee無線通信。以TI公司生產的CC2530芯片為核心，外接32MHz和32.768KHz震蕩晶體分別為芯片提供工作主時鐘和精確定時時鐘，通過USART與MCU進行數據傳輸。這種解決方案能夠提高性能并滿足以Zigbee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，以及對低成本、低功耗的要求。

LCD接口電路。采用標準接口TFT 型37線LCD，控制器為ILI9320。3.3V供電電壓，使用DB0-DB7、DB10-DB17共16根數據線與MCU進行通信，ILI9320的片選端、背光控制引腳、寫控制引腳均與MCU的GPIO連接，調用指令代碼實行硬件控制。

觸摸屏模塊。采用四線制電阻式觸摸屏。X+X-Y+Y-四個引腳直接與MCU的ADC接口連接，ADC將觸摸屏采集到的模擬信號量轉換為數字信號量，MCU讀取ADC的寄存器值進行處理以確定觸摸屏被按下的位置。

SD卡接口電路。如果MCU的片內Flash容量不夠大時，可使用SD卡來存儲數據，通過MCU的SPI2總線與之通信，SD卡作為SPI從機。

電源模塊。系統供給電壓為標準5V，經AMS1117芯片降壓到3.3V后供給MCU和CC2530使用。為提高ADC轉換精度，連接獨立的外部參考電壓到MCU的VREF+引腳，提供模擬基準電源。

復位和時鐘模塊。通過在MCU的NRST引腳外接手動開關（外部復位），接低電平實現一次系統復位。

連接8MHz的石英晶體振蕩器到MCU的SOC_IN引腳，為之提供更精確的主時鐘；同時，連接32.768KHz頻率的手表晶體振蕩器至OSC32_IN引腳，為MCU的實時時鐘或其他定時功能提供一個低功耗且精確的時鐘源。

2.溫度/燈光控制節點

溫度與燈光控制節點的硬件電路設計相似。以8位單片機ATMega16為控制核心，連接若干外圍電路實現數據采集和對執行裝置的控制，且均保留了手動控制。

溫度控制節點使用Dallas半導體公司生產的單線數字溫度傳感器DS18B20檢測室內溫度，并通過ZigBee無線通信模塊將采集數據發送給智能終端，再根據智能終端下發的命令控制執行裝置（散熱器），使室溫保持在設定值范圍內恒定不變。

燈光控制節點是根據光線的強弱，來控制燈光的強度，可實現三個功能，軟啟動功能：開燈時，燈光由暗逐漸變亮；關燈時，燈光由亮漸漸變暗，避免亮度的突然變化沖擊視覺。燈光調節功能：可以利用本地開關來進行光線明暗的調整，也可以利用智能終端或遙控器調整。全開全關功能：整個照明系統可以實現一鍵全開和一鍵全關的功能。

使用光敏電阻實現燈光的采集，將阻值變化轉換為電壓變化，連接至MCU的ADC接口將模擬量轉換為數字量，發送到智能終端。MCU再根據智能終端下發的命令調整PWM占空比，輸入PT4115綠色照明LED驅動電路，控制燈光的強弱。

四 系統軟件設計

1.智能終端的程序設計

μC/OS-II是完全可剝奪型的實時內核，即μC/OS-II總是運行就緒條件下優先級最高的任務；它的各種服務都以任務的形式出現，可以管理64個任務，留給用戶的應用程序最多可有56個任務；μC/OS-II源碼絕大部分都是用ANSI C編寫，只有與微處理器硬件相關的部分使用匯編語言編寫。

智能終端的軟件設計包括一個主函數和兩個任務。在MCU主時鐘穩定工作后，首先調用OSInit（ ）初始化系統，包括初始化中斷向量和USART、使能端口時鐘、初始化LCD和SD卡；然后調用OSTaskCreateExt（ ）和OSTaskCreate（ ）創建AppStartTask_1和AppStartTask_2這兩個任務；最后，調用OSStart（ ）啟動任務。

其中，AppStartTask_1主要負責讀取ADC轉換的觸摸屏數據和Zigbee接收的采集數據，并進行處理，一方面用于LCD顯示，另一方面用于決策下發的命名。AppStartTask_2首先繪制LCD顯示所需的圖形框，之后進入死循環，不停判斷是否有數據要更新，當檢測到數據更新后立即刷新顯示區。還負責設定值的更新，當設定值改變后通過Zigbee無線通信模塊，轉發給溫度/燈光控制節點。

2.控制節點的程序設計

溫度/燈光控制節點不僅可以將采集數據上傳給智能終端，等待其下發的執行命令，還可以與用戶手動設定值進行比較，從而控制執行裝置的動作，組成獨立的閉環控制系統。兩個控制節點的程序設計相似。

五 結束語

本文設計的智能終端和溫度/燈光控制節點已實現家庭內部網絡的無線通信，可對溫度和燈光進行遠程智能控制。本設計方案還可進一步改進硬件電路和軟件系統的設計，以降低各模塊的電能消耗，并提高整個系統無線通信的可靠性。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕