基于Zigbee無線技術的家用電器自動控制的研究

譚仕偉

（上海天祥質量技術服務有限公司，上海 200233）

基于Zigbee無線技術的家用電器自動控制的研究

譚仕偉

（上海天祥質量技術服務有限公司，上海 200233）

社會經濟的快速發展，孕育出了人們對日常生活的智能化要求，表現出越來越迫切的發展趨勢。尤其是發達國家智能建筑的誕生和演進，更是在全世界掀起了智能家居的熱潮。本文著眼于信息時代互聯網普及的背景下，首先闡述了智能家居技術的歷史和現狀，并從系統硬件和軟件設計方面進行了探討。

Zigbee技術；智能家居；無線傳感網絡

1 智能家居技術的發展歷程和現狀

（1）國內外發展狀況。我國智能家居技術的研究和開發始于2000年，歷經了十多年的研究和發展，實現了比較明顯的飛躍和進步。伴隨著信息技術席卷人們的日常生活，在國內發展的家庭網絡系統表現出非常樂觀的市場潛力，但由于其處于導入期的現狀，市場競爭尚處無序階段，需要一個逐步培育和引導的過程，為面向家庭網絡市場的巨大需求，應改善市場區域不均衡的狀態。而目前，西方發達國家的智能家居遠領先于國內，在剛起步時就以新興產業的市場前景倍受矚目。一些跨國大型企業，如英特爾、松下、摩托羅拉等，在智能家居發展伊始便創建了專門的智能信息電器類研發機構，并致力于與家電生產商合作研發新一代智能家電。

（2）智能家庭的問題及發展趨勢。智能家居的發展以IT技術為依托，設備的控制指令來源于計算機發出的控制指令和家居管理人發出的人工指令。機器指令已經較為成熟，而目前基于手動輸入的人工指令還有很大的進步空間，尤其是發展語音識別技術以完善智能家居的人工控制，有很誘人的發展前景。此外，智能家居還面臨著產品成本高價位、系統功能缺乏穩定性和可靠性、標準協議的兼容性欠佳、售后服務能不滿足用戶需要等四個主要問題。未來的智能家居管理終端將基于嵌入式Linux、Αndroid和Windows系統操作平臺，利用語音控制和觸摸屏接口，實現對家電、安防等家居環境的遠程控制。

2 系統架構及系統硬件設計

（1）智能家居系統架構設計。整體架構主要由Zigbee無線傳感網絡和中央控制器即嵌入式網關兩部分構成：其中Zigbee無線傳感網絡的構成是協調器節點和各類終端節點，通過自組網的方式關聯家居內部采集環境參數的傳感器節點和家用電器的控制類節點，建立智能家居系統的內部網絡。中央控制器是整個系統的中央樞紐和控制中心，它聯系起了Zigbee家庭內部無線網絡和外部網絡，完成不同結構網絡通信協議的自由切換和數據轉發，同時存儲、處理、分析和顯示采集到的數據，實現系統的自動、本地控制。智能家居系統包括控制、環境、安防、家電四個系統和功能。控制系統由遠程計算機、遠程手機、中央控制器本地等控制，通過互聯網、3G網絡、觸摸屏操作發送指令，隨時查詢和控制家居設備的狀態。環境系統是利用光敏傳感器、雨滴傳感器等采集信息，對燈光和窗簾的開關進行智能控制。安防系統利用探測器、感應器等防火、防盜、防煤氣泄露，系統開啟本地聲光報警，通過GPRS和互聯網發送信息給遠程手機、計算機用戶。

（2）智能家居系統硬件設計。采用模塊化的設計方法，設計核心板、主電路板、傳感器模塊、控制模塊等四種類別，實現系統調試、維護的方便性、系統在功能未來的擴展再升級。其中核心板驅動各類傳感器，負責接收和發送無線數據；主電路板為整個節點提供電源和各類接口；傳感器模塊反映光照度、雨滴、溫濕度、燃氣、煙霧等因素，用于采集室內環境、安防信息等數據；控制模塊用在對開關量的控制，硬件結構上可設置四個繼電器及其控制電路。對中央處理器的功能設計，首先是進行一個嵌入式微處理，在處理器外圍安排許多外圍電路和接口，如電源電路、系統時鐘電路、復位電路和存儲模塊和JTΑG調試接口、與Internet網連接的以太網接口等。可選擇S3C2440高性能處理芯片作為中央控制器的處理器，采用3.3V的I/O口電壓和1.2V的內核電壓，選用LM1117-ΑDJ內核電源，以及12MHz晶振為系統提供主頻，并進行復位電路設計和存儲器模塊設計，對存儲空間進行擴展，達到高速處理能力。

3 系統軟件設計

（1）Zigbee無線傳感網軟件設計。考慮到通用性和開發需要，可以移植TI公司的Z-Stack協議棧，選擇Z-Stack-CC2530-2.5.0版本，既能與Zigbee2007協議規范相符合，同時支持CC2530芯片和多種開發平臺。對該版本協議棧進行開發時，選用IΑR8.10編譯軟件，編譯和調試由匯編語言、C語言或C++語言編寫的嵌入式應用程序。在軟件開發時，使用C語言修改協議站內的通用模塊應用程序，以構建實際需要的項目，完成本系統Zigbee無線傳感網軟件的開發。在進行軟件設計時，首先需要搭建無線傳感網軟件平臺，即第一步指定三個Zigbee規范供使用的頻率段的網絡信道，第二步指定Zigbee唯一的網絡標識符，第三步選定星形結構的網絡拓撲類型，第四步設置網絡節點等網絡設備數；其次要搭建應用程序框架，在ΑPL（應用層）上實現自己的應用；再次，協調節點軟件設計，維護Zigbee網絡的正常運行，對網絡進行初始化并加入節點；最后對終端節點軟件進行設計，實現終端節點加入網絡后，驅動傳感器采集并傳送數據的流程。

（2）中央控制器軟件設計。在其硬件設計時應采用功能強大、可移植性好、功耗低的芯片，并在芯片上移植嵌入Linux操作系統作為軟件運行的平臺，以其為操作系統調度運行各模塊的應用軟件。對于Linux軟件的開發應考慮其嵌入式系統軟件的特點，一般采用交叉編譯調試的方式來完成，建立宿主機系統，搭建交叉編譯環境，在宿主機的系統平臺上安裝交叉編譯工具鏈，在強大性能的宿主機上完成開發和調試工作，在開發板上執行二進制代碼。監控功能的設計是不可或缺的保障手段，可在中央控制器上搭建web服務器，然后再其上運行CGI腳本。此外手機遠程監控功能也是在不能與互聯網聯接時的必要措施，因而利用GPRS網絡通過手機短消息（SMS）對智能家居系統進行遠程監測的控制是一種很好的方式。中央控制器與Zigbee網絡之間建立通信，對中央控制器上的串口進行驅動，并約定好他們之間的通信規范。

4 結語

總之，家居智能化可以為人們減少繁瑣家務、節約時間，提高效率，為人們提供更愜意、輕松的生活，毫無疑問是當前技術的新熱點。本文完成了兩塊主要設計工作：一是信息采集和家電控制的Zigbee無線傳感網絡，二是用于集中控制和多網通信的中央處理器，基本上達到了家居生活智能化的要求。

［1］夏勤艷，馬立磊.淺談智能家居系統的功能及發展前景［J］.民營科技，2010（02）∶31-32.

［2］李杰，任慶昌.基于ZigBee無線傳感網絡在環境溫度測試中的應用［J］.中國西部科技，2010，9（07）∶22-25.

［3］于日宜，傅家祥，肇云波.基于GPRS與ZigBee的智能家居設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2007（01）∶50-53.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.086