基于ZigBee的智能家居體驗中心系統組網方案

胡 軍， 趙國軍

(1. 浙江長征職業技術學院 實訓中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310023)

?

基于ZigBee的智能家居體驗中心系統組網方案

胡 軍1， 趙國軍2

(1. 浙江長征職業技術學院 實訓中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310023)

根據智能家居的功能特點和發展趨勢，結合物聯網專業學生對智能家居獲取感性認識的需要，提出基于ZigBee的智能家居體驗中心系統(簡稱智能家居系統)網絡組網方案。本方案將ARM技術和ZigBee無線網絡技術相結合，以ARM11處理器S3C6410芯片為核心搭建系統網關控制平臺，硬件采用“核心板十擴展板”層次模塊化設計，軟件開發嵌入式WINCE6.0操作系統；家庭內部局域網利用ZigBee技術實現，ZigBee網絡節點設備采用TI公司CC2530芯片。本方案通過嵌入式開發技術，實現了對智能家居系統的集中管理和遠程控制，體現了智能家居系統智能化、網絡化的發展趨勢，具有良好的通用性和可擴展性。借助于該系統物聯網專業能夠完成一系列的教學活動。

ZigBee； 智能家居； S3C6410； CC2530； ARM11

0 引 言

智能家居(Smart Home)借助于無線通信技術、嵌入式技術和傳感器技術，通過系統網關控制平臺將家庭中照明系統、環境檢測系統、安防系統、家用電器等各種終端設備相互連接并接入Internet、WiFi或3G等外部網絡，使用戶能夠采用便捷的智能化方式對各種家庭終端設備實現集中管理和遠程控制[1-2]。隨著計算機技術和通信技術的快速發展，電子器件類別多樣化，硬件處理數據能力不斷提高。智能家居產品將擺脫以往的發展模式和設計理念，以實用為核心，操控簡單、人性化、網絡化的嵌入式無線智能家居控制系統是未來智能家居的發展方向，集成化、節能環保、標準化、無線化將是智能家居行業的大勢所趨[3]。

無線通信扮演越來越重要的角色，它可以擺脫物理連接上的限制，隨時隨地接入網絡獲取信息。同時低功耗、微型化滿足人們對當前無線通信產品的基本要求。本文提出的智能家居網絡組網方案采用ZigBee技術，該技術是一種短距離、低功耗、低速率、大容量及具有自組網方式無線網絡技術，非常適合于用來組建智能家居系統家庭內部局域網，本文所有的家庭內部通信模塊將以此作為基礎來進行設計。

1 系統總體設計方案

為了滿足物聯網專業職業教育發展需要，本文設計一套成本不高，功能較完善，能夠體現家庭智能、適用性強的智能家居系統解決方案，該系統能夠強化學生對智能家居產品的安全、舒適、智能、高效的體驗感受，加深學生對物聯網的認識。通過智能家居系統能夠完成一系列的教學活動：

(1) 認知教學。使學生明白物聯網的概念及實體表現形式，所具備典型功能。

(2) 技能教學。以智能家居系統為主線，使學生學習掌握物聯網相關技術體系更容易，如傳感技術、無線網絡技術、嵌入式技術。

(3) 應用教學。以智能家居系統作為平臺，可以使學生完成一系列二次開發任務，如智能照明、智能遙控、環境監控。

在本設計中，智能家居系統采用ARM技術和ZigBee無線網絡技術相結合方案實現，總體結構主要由家庭智能網關、家庭內部網絡、外部通訊網絡等組成。采用低功耗、低成本、低傳輸速率、大容量及具有自組網方式的ZigBee 無線技術作為智能家居系統的內部組網方式，ZigBee 無線傳感網絡節點分別采集溫濕度數據、煙霧等環境信息和安防信息，并控制各個房間的照明、家電設備[4]，ZigBee網絡節點設備采用TI公司CC2530芯片；以ARM11處理器S3C6410芯片為核心搭建系統網關控制平臺，采用嵌入式WINCE6.0作為操作系統；家庭內部網絡通過智能網關與internet、Wi-Fi或3G網絡連接[5]。本系統實現的主要功能如下：

(1) 無線組網。ZigBee 網絡具有低速率、低功耗、低成本的特點，符合普通大眾對智能家居系統的要求，家庭內部節點設備之間互聯構成局域網。

(2) 智能網關控制。設計一個智能網關使ZigBee無線網絡接入Internet、WiFi或3G外部網絡，用戶可遠程查看和控制家庭設備，實現遠程監控[6-7]。

(3) 家用設備控制功能。每個家用設備都安裝有傳感器，作為傳感網節點聯入家庭內部ZigBee網絡，用戶可通過控制終端對網絡中任何設備進行控制。

(4) 家庭安防功能。節點上傳感器檢測室內煙霧、溫度等相關數據，如果超出安全標準，則發出報警警示，智能網關及時做出相應處理[8]。智能家居系統框架如圖1所示。

圖1 智能家居系統框架示意圖

2 家庭內部網絡組網方案分析

2.1 ZigBee 技術概述

ZigBee是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡技術，工作于2.4GHz國際免費頻段ISM[9]。ZigBee規范是以國際電子電機工程協會(IEEE)所制訂的802.15.4標準為基礎的，802.15.4標準定義了物理層(PHY Layer)及媒體介質訪問層(MAC Layer)，在此基礎上ZigBee Alliance定義了網絡層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應用層(Application Layer)[10]。

在ZigBee網絡中存在三種邏輯設備類型：協調器、路由器和終端設備[11]。ZigBee網絡由一個協調器以及多個路由器和多個終端設備組成[12]。一個ZigBee網絡只能有一個協調器，可以有多個路由器和終端設備。從網絡結構上來看，常見ZigBee網絡拓撲結構有星型、樹型和網狀型三種形式。

2.2 家庭內部網絡組網方案的選擇

相對于有線網絡，無線組網方式靈活、易于擴展，移動性好，是目前智能家居系統家庭內部網絡的必然選擇。家庭局域網絡比較合適選用的短距離無線通信技術必需具備：功耗低，可靠性和安全性高，擴展性好，不用申請無線信道等特點。可能應用于智能家居系統無線傳感器網絡的無線通信技術有無線保真技術(Wi-Fi技術)、紅外技術(IrDA)、藍牙技術(Bluetooth)以及ZigBee技術，它們的主要性能參數如表1所示。

表1 幾項短距離無線通信技術的主要性能參數

ZigBee技術傳輸范圍較大，最高速率可達到250 kb/s，功耗及價格也低。物理層采用了擴頻技術，具有很高的可靠性和安全性[13]。另外，它還可與254個節點聯網，擴展時最大可達65 535個節點，完全能夠滿足家居網絡信息傳送的基本要求。

3 智能家居系統硬件設計

本方案選用三星公司的ARM11系列S3C6410微處理器為核心器件搭建智能家居系統網關控制平臺，家庭內部網絡組網采用ZigBee無線網絡。系統硬件電路設計中盡量使用典型的應用電路，且預留相應的擴展接口，為將來的擴展提供所需。本設計的硬件主要包括三個部分：智能網關設計、通信模塊ZigBee技術的硬件實現及外圍電路的設計。

3.1 家庭智能網關方案設計

家庭智能網關采用“核心板十擴展板”層次模塊化設計方案，以降低硬件電路的調試難度，并提供盡可能多的外設接口，使系統更加具有通用性和靈活性。核心板主要包括微處理器、存儲器等模塊，實現嵌入式最小硬件系統；擴展板集成系統所需要的外圍設備和接口電路[9]。核心板與擴展板通過插針接口連接，構成功能強大、資源豐富的嵌入式智能網關控制平臺。智能網關控制平臺的硬件結構如圖2所示。

核心板主要由S3C6410微處理器、2×128M Mobile DDR RAM、256M NAND FLASH、電源模塊、時鐘電路、復位電路和JTAG接口等部分組成。DDR RAM用于支持系統軟件程序運行并處理數據。NAND FLASH用于保存Boot Loader、操作系統內核映像文件和應用程序。時鐘電路設計有四種不同類型的晶振電路，為微處理器系統和各種外設提供所需的時鐘信號。復位電路實現微處理器的手動復位。

擴展板是整個智能家居系統功能實現的關鍵所在，根據基于S3C6410和CC2530的智能家居系統的需求，集成有各種外設和接口。擴展板主要包括電源模塊、以太網接口模塊、音頻AC97電路模塊、 Camera、UART、COM、USB、SD卡接口以及與S3C6410核心板的接口電路等。本方案中，為便利智能網關與家庭內部網絡連接，擴展板加載了一個ZigBee模塊，組網時作為ZigBee網絡的協調器使用。

圖2 智能網關控制平臺的硬件結構圖

3.2 智能家居系統ZigBee網絡節點方案設計

智能家居控制系統中ZigBee網絡節點需要具有2.4 GHz ISM頻帶RF收發功能，還需具備一定的運算和存儲能力。故選用德州儀器TI公司生產的CC2530 F256作為節點ZigBee通訊模塊，CC2530是TI公司設計的ZigBee單芯片解決方案，集 2.4 GHz RF收發器和 MCU 于一體，專用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應用，方便了用戶個性化的設計與開發[15]。CC2530F256片上集成高性能低功耗增強型8051內核，具有豐富的外圍接口，包括256KB的FLASH和8KB的RAM，12 b的ADC、2路USART等外設和21個通用IO口，應用電路設計只需添加極少的外圍元器件。

ZigBee無線傳感網節點按照其在網絡中的作用不同，分為傳感器節點、路由節點和協調器節點三種類型，各類節點基本結構非常相近。因此，本方案在ZigBee無線傳感網節點設計時采用一種通用的網絡節點設計，節點在網絡中的功能僅僅取決于CC2530芯片中燒寫的不同程序。通用ZigBee無線傳感網節點主要由CC2530、電源模塊、顯示模塊、傳感器模塊、串口、JTAG等外圍接口電路組成，典型的ZigBee無線網絡節點硬件電路結構如圖3所示。

4 智能家居系統軟件方案設計

4.1 ARM11智能網關軟件方案設計

本系統設計采用了 ARM11系列S3C6410處理器加嵌入式WINCE6.0操作系統的方案，軟件的開發環境是Visual Studio 2005，WINCE智能設備應用程序使

圖3 典型的ZigBee無線網絡節點硬件電路結構圖

用C++語言進行編寫。鑒于智能家居系統是對功能、成本、功耗等性能指標有明確限定的專用計算機系統，本方案采用非常適用于軟件硬件可裁剪的嵌入式開發技術，根據智能家居系統特定的應用對軟件平臺進行定制。

智能家居嵌入式系統軟件平臺的開發流程如下：首先需要針對目標硬件平臺開發出相應的板級支持包(Board Support Package,BSP),為嵌入式操作系統提供硬件接口,并實現下載軟件、引導程序等功能，然后根據功能需求定制系統內核,經過編譯、調試后即可下載至硬件平臺。最后根據系統內核生成相應的軟件開發套件(Software Development Kit,SDK)進行特定應用目標的嵌入式應用程序軟件開發。

操作系統開發工具使用Visual Studio 2005專業版中的插件Platform Builder, Platform Builder是Microsoft 公司提供專門用來定制 WINCE6.0 操作系統的強大工具,為嵌入式系統的開發提供了一個良好的開發環境,利用Platform Builder使得整個開發過程整合為一體。

在WINCE6.0 操作系統平臺上開發智能家居監控中心實現對網絡的實時監控家庭環境和遠程控制功能。一方面需要實時接收、處理家庭內部ZigBee網絡各個節點發送的數據并顯示在顯示屏上，并通過Internet、Wi-Fi傳送到用戶的計算機或PAD終端上，使用戶能直觀地得到監測點相關的環境參數；另一方面智能網關將處理后的數據與預先設定的報警值經過比較判斷是否需要發送報警信號。

4.2 家庭內部ZigBee網絡節點軟件方案設計

ZigBee網絡無線通信模塊采用了 CC2530芯片，軟件開發環境為 IAR Embedded Workbench，應用程序使用C語言進行編寫；數據處理模塊采用ARM7，軟件開發環境為 KEIL uVision4。節點設計基于通用性及便于開發考慮，移植了TI 公司的 Z-Stack協議棧[16]。

協調器首先完成初始化，接著協調器根據DEFAULT_ CHANLIST 配置文件定義的某個頻段建立一個網絡。當節點是終端節點時，設備將會試圖加入該網絡，同時協調器把加入網絡的節點網絡地址存入地址表。網絡建立成功后，ZigBee 協調器啟動任務輪換查詢，監聽是否有網絡終端數據接收處理、智能網關數據接收處理等任務。應用層通過調用AF Data Request() 函數將數據發送到智能網關。

終端節點首先完成初始化，主動查找協調器建立的網絡并加入，將讀取的傳感器信息發送給網絡協調器。環境參數采集節點開始定時采集家居環境數據，單播發送給協調器，當相應環境值超過設定值時，向協調器發送報警信息；設備控制類節點則等待協調器發送控制命令。協調器節點和終端節點的軟件設計流程如圖4所示。

圖4 協調器節點和終端節點的軟件設計流程圖

5 結 語

本文提出的基于ZigBee無線傳感網的智能家居網絡組網方案，將ARM技術和ZigBee技術相結合，具有低成本、低功耗、通用性和擴展性強等優點。基于此方案設計的智能家居系統實現家庭中大量傳統家電設備和信息終端的互連，方便集中控制和管理，實現對外部網絡的接入，完成對智能家居系統進行實時的遠程監控和管理。系統測試環境包括照明系統、環境檢測系統、安防系統、智能家電等12個終端節點，測試過程中系統運行穩定，家庭內部ZigBee網絡與互聯網上的指定用戶計算機和手機連接，用戶可通過安裝智能家居監控軟件的計算機或手機查看傳感器檢測到的環境信息和各種家居設備的狀態，并對系統中的家居設備進行遠程操控。測試結果表明按照本方案所設計的智能家居系統具有一定的可行性和可靠性，所構建的家居環境能夠滿足學生對家居產品安全、舒適、便利的體驗，滿足物聯網專業開展教學活動的需要，具有較高的參考價值和應用價值。

[1] 南忠良,孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程,2010,18(7):117-119.

[2] Testa Bridget Mintz.ZigBee: Remote control euphoria [J]. Telecommunications (Americas Edition), 2004, 38(l0): 10-11.

[3] Marie Chan,Daniel Esteve,Christophe Eseriba, Eric Campo. A review of smart homes-Present state and future challenges [J] .Computer Methods and Programs in Biomedicine，2008(7):55-81.

[4] 李立憲,蔣 泰,尚 明.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].裝備制造技術,2013,41(12):32-34．

[5] 陶為戈,陳興瑞,賈中寧,等.一種ZigBee無線傳感器網絡教學實驗平臺的構建[J].實驗室研究與探索,2012,31(12) :231-234.

[6] XING Weiwei, BAI Ruilin, MENG Wei. Application of ZigBee wireless gateway in MODBUS communication[J].CEA,2011,47(29):81-84.

[7] Yuksekkaya Baris, Kayalar A Alper,Tosun M Bilgehan.A GSM,Internet and Speech Controlled Wireless Interactive Home Automation System [J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2006,52:837-843.

[8] Cho E A, Moon C J, Baik D K. Home Gateway Operating Model Using Reference Monitor for Enhanced User Comfort and Privacy[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2008, 54(2): 494-500.

[9] 顧瑞紅,張宏科.基于ZigBee 的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用,2005,31 (6):1-3．

[10] ZigBee Alliance. ZigBee Specification [EB/OL]. http://www.zigbee.org, 2013-08-16.

[11] 付軍安,盧涵宇,王合闖,等.基于ZigBee的定位系統環境參數的探討[J].長江大學學報(自然科學版),2011,8(4):86-88．

[12] 任小洪,樂英高.ZigBee技術在物聯網系統中的應用研究[J].單片機與嵌入式系統應用, 2011,11 (4):10-12．

[13] 樊 坤,樸 洋,周 全,等.基于Zigbee樹形組網的無線采集系統及其在振動監測中的應用[J].機械與電子, 2011,29(7):33-36．

[14] 廣州友善之臂計算機科技有限公司.友善之臂6410開發板-常見問題解答集[EB/OL]. http://www.arm9home.net/read.php?tid-14146.html,2013-10-27.

[15] 章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用,2011,20(7):184-188.

[16] 彭 剛,陳順超,徐慶江,等.基于CC2431的ZigBee定位系統設計與實現[J].伺服控制, 2010,7 (12):77-80．

Research of Network Scheme for Smart Home Experience Center System Based on ZigBee

HUJun1,ZHAOGuo-jun2

(1. Department of Training Center, Zhejiang Changzheng Vocational &Technical College, Hangzhou 310023, China; 2. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

According to the characteristics and developing trend of smart home, and combined with needs of students of the Internet of Things, the paper puts forward a network scheme smart home experience system (hereinafter referred to as smart home system) based on ZigBee by which the students can obtain perceptual knowledge of smart home. The scheme combines the ARM technology with ZigBee wireless network technology, ARM11 processor S3C6410 chip is used as the core to form system gateway control platform. The scheme of " core board + expansion board" is used for hierarchical modular hardware design. The software is developed by embeding WINCE6.0 operating system. The family LAN is realized by using ZigBee technology, and the ZigBee network node equipment uses Texas Instruments Company CC2530 chips. This scheme with embedded development technology, realizes centralized management and remote control of smart home system, reflects the intelligence and network development trend for smart home system, and provides good versatility and expansibility. By means of this system, IOT specialty is able to complete a series of teaching activities.

ZigBee; smart home system; S3C6410; CC2530; ARM11

2015-04-05

浙江省教育科學規劃辦課題(2014SCG062)

胡 軍(1966-)，男，浙江杭州人，碩士，講師/工程師，主要從事無線通信技術和計算機網絡技術等方面的研究工作。

Tel.:13305818706; E-mail:hj6606a@163.com

TP 393

A

1006-7167(2016)05-0130-04