基于Z i g B e e的智能家居控制系統設計

山東科技大學 張小飛 柴兆臣 孫崇雨

基于Z i g B e e的智能家居控制系統設計

山東科技大學 張小飛 柴兆臣 孫崇雨

文章采用ZigBee芯片結合相應的傳感器來采集家居信息。實現各個ZigBee節點之間可以進行無線通信，利用手機來無線控制家電設備，同時實現了家居生活的無線智能化控制，并具有災害報警等功能。

智能家居；ZigBee；無線通信；傳感器

0 引言

隨著生活質量的日益改善，人們對家居智能化的要求越來越高，各種家居設備的高度自動化和智能化已經成為一種消費需求。傳統的家居智能控制系統一般采用有線方式來組建，但有線網絡可擴展性差，限制了有線網絡技術在智能家居系統中的發展。隨著無線的發展，網絡化、標準化的要求逐漸出現在人們的面前，因此各種無線技術標準紛紛被制定出來。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[1]。ZigBee克服了紅外、藍牙等通信方式的拓展能力不足，以及WiFi的成本過高、功耗較大、嵌入困難等缺點。基于ZigBee的這些特點，結合現代智能家居在控制中的需求，我們選擇了ZigBee作為智能家居中無線通信的方式，設計了一種基于ZigBee的智能家居控制系統。

1 系統功能簡介

系統以STM32F103VET6為主控芯片，通過對家居生活中的溫度、濕度、光照強度、大氣壓強、有害氣體濃度、可燃氣體濃度、火災信號以及一些用戶特殊要求的家居信號的采集。經預濾波、AD轉換、非線性變換、電壓轉換比較、信號運算等預處理之后我們再將得到的數字信號通過ZigBee射頻電路發送出去并經指定的ZigBee模塊接收，指定ZigBee模塊接收到數據并判斷此數據類型，通過數據對比之后進行數據顯示、災害報警等相應處理。系統通過手機APP對家用電器實現智能遙控[2]。

2 系統硬件設計

基于ZigBee的智能家居控制系統由3個基本結構組成，分別是傳感器數據采集發送部分、數據接收處理部分、ZigBee網絡中樞部分。這三個基本結構之間進行相互通信，構成一個整體系統。傳感器數據采集發送部分用來采集溫度、濕度、光照強度、大氣壓強、有害氣體濃度、可燃氣體濃度、火災信號。數據接收處理部分將接收到的信息進行相應的處理。ZigBee網絡中樞部分利用WiFi芯片，組成ZigBee-WiFi網絡中樞將ZigBee局域網內的數據通過WiFi芯片控制ZigBee局域網內的各個ZigBee節點，通過手機或上位機連接WiFi局域網實時監控家居信息及控制家居設備[3]。

系統的整體框圖如圖1所示：

圖1 基于ZigBee的智能家居控制系統總體框圖

2.1 芯片選擇

本次設計選用TI公司推出的ZigBee射頻芯片——CC2530，具體型號為TI SOC CC2530F256，使用該芯片設計的ZigBee模塊工作在2.4GHz頻段，只需要較少的外圍器件之間的配合就可以實現Zig-Bee信號的收發功能[4]。

2.2 AD轉換電路

本次設計選取PCF8591 AD/DA轉換器來進行AD/DA轉換。一是由于ADC外設的設置復雜，轉換精度模糊；二是減輕編程壓力，提高設計效率。PCF8591 AD/DA轉換器電路圖以及與CC2530芯片連接的引腳圖如圖2所示。

2.3 傳感器的選擇

考慮到家居環境所涉及的物理信息，本次設計選取DHT11數字溫濕度傳感器來采集溫濕度信號。光敏電阻器用于光的測量、光的控制和光電轉換。火焰傳感器、煙霧傳感器進行火災報警及防范。

圖2 AD轉換電路

3 軟件設計

本系統利用CC2530芯片中ZigBee協議棧規范的ZigBee 2007標準，將傳感器數據的采集、射頻中斷函數、發送函數等關鍵部分的程序經數據包配置后一數據幀數組的的形式發送給接收模塊，其中傳感器數據的采集包括溫濕度數據的讀取、AD轉換等，AD轉換部分還需要進行I2C總線的配置。

系統通過手機客戶端利用WiFi改變ESP8266的IO口狀態。當與ESP8266連接的ZigBee模塊檢測到這種改變后，通過傳送到ZigBee局域網內的手機控制信息實現家居設備的控制[5]。在硬件設計部分說過本次設計的ZigBee網絡中樞是利用ESP8266的GPIO控制的功能，來對ZigBee局域網內的家電進行控制。ZigBee網絡中樞部分的軟件流程圖如圖3所示：

圖3 ZigBee網絡中樞軟件流程圖

4 總結

本文設計了一套基于ZigBee無線通信技術的的智能家居智能家居控制系統，通過ZigBee實現了一種聯網方式，利用Zigbee模塊與具有TCP/IP協議的硬件進行通信，組成一個ZigBee網絡中樞，從而實現利用這個中樞來控制所有的Zigbee單品。本系統不僅可以實時獲取家居生活中溫度、濕度、光照強度、大氣污染物濃度等物理信息，還可以通過傳感器進行災情預警報警，并通過手機控制家用電器以滿足人們對家居生活智能化，舒適化的需求。

[1]李文仲,斷朝玉 等編著．ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2007．

[2]徐海峰．基于ZigBee智能家居的低功耗節點設計[J]．綠色科技,2012 (6):277-279．

[3]習何朝．基于ZigBee技術的智能家居數據采集控制系統[D]．大連:大連理工大學,2011．

[4]Drew Gislason．Zigbee Wireless Networking[M]．Newnes Publishing，2008．

[5]安信可科技．ESP8266系列說明文檔[S]．深圳,2014．

張小飛（1990—），男，山東科技大學電子通訊與物理學院碩士研究生，研究方向：智能傳感器與信息處理。