基于ZigBee技術的智能家居控制系統

文/彭銀橋 吳吉

1 引言

隨著計算機技術、通信技術和網絡技術的不斷發展，以及人們生活水平不斷提高，智能家居將成為人們生活方式的一種必然趨勢。智能家居的網絡化、互聯化，智能化，不僅為人們提供安全、方便和舒適的生活環境，而且能隨時隨地監控自己的家居狀態和控制家庭電器設備。智能家居采用無線網絡技術，解決了有線網絡布線麻煩、使用過多電纜及擴展性差等問題，提高了安全性，降低了成本。本文設計了一種基于STM32上位機、ZigBee無線通信及紅外遙控通信技術的智能家居系統，實現了遙控家電設備等智能家居的基本功能。

2 系統設計

2.1 系統功能分析

系統總體功能如圖1所示，用戶通過遙控器選擇不同的節點，被選中的節點led燈亮，以提示用戶該節點為當前被選中的節點，用戶可以按下遙控器不同的按鍵，對連接在該節點上的設備進行需要的操作。用戶可以通過遙控器調節照明燈的亮度、打開或關閉風扇以及打開或者關閉窗簾。一個遙控器可以同時控制不同的節點；一個節點可以同時連接不同的設備。

2.2 系統工作原理框架

系統工作原理框架如圖2所示，系統主要由STM32上位機和遙控器、Zigbee協調器以及節點和設備三部分組成。系統初始化時，ZigBee協調器組建網絡，ZigBee節點加入網絡，加入成功后，會把自己的地址發送給協調器，協調器接收并保存全部節點的地址，以備之后解析地址。用戶用遙控器通過紅外接頭和STM32通信，STM32接收用戶命令，通過串口把要操作的節點和命令發送給協調器，協調器接收消息后，判斷用戶是切換節點還是操作當前節點，再轉換成命令消息，并轉發相應的消息到對應的節點，節點接收消息并解析消息，從而控制相應的設備。

圖1：系統功能

圖2：系統工作原理框架圖

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件組成框圖

系統硬件組成如圖3所示，其中STM32上位機電路由STM32F103CBT6芯片、晶振電路、復位電路、電源電路和外圍的紅外接收模塊組成；協調器由cc2530芯片、晶振電路、復位電路、射頻電路組成；節點和設備通過繼電器、步進電機組成第三部分電路。

3.2 HS0038紅外接收模塊

紅外接收頭采用HS0038紅外接收探頭，紅外通信使用950納米的紅外線作為無線傳輸通道，進行調試和解調。紅外通信一般有發送端和接收端。發送端把需要發送的數字信號作為基帶信號，按照采用脈沖位置（PPM）的方法，來調制按照數字信號發生變換的載波，最后通過發送端把載波轉換為紅外線，發送出去。接收端的接收二極管接收到信號，經過放大、濾波，把光信號轉換為電信號傳給解調器，解調器也采用PPM方式，還原出原始的數字信號。

3.3 STM32最小系統

STM32的最小系統如圖 4所示。晶振電路能夠為最小系統提供一個穩定的8MHz的外部時鐘源；電源電路能夠將外部的5V電壓轉換為3.3v的芯片工作電壓；復位電路提供用戶復位系統；紅外模塊負責接收用戶用遙控器發來的信號，調制并換成數字信號，發送給STM32F103芯片進行處理；STM32F103作為最小系統的核心，能夠解析信號，并通過串口發送信號給協調器。

3.4 ZigBee協調器

ZigBee是基于IEE802.15.4無線標準協議的無線通信技術，適用于短距離、低功耗的自動控制領域。ZigBee協調器能夠組建一個智能家居內部局域網，以便各個節點加入網絡。同時又起到承上啟下的作用，負責接收STM32通過串口傳來的消息，并將消息轉發到相應的節點，實現用戶所希望的無線控制設備。系統選用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee協調器的CPU。CC2530是廣泛應用于2.4G片上系統解決方案，具有優秀的接收器靈敏度和強干擾性，以及較低的成本。

圖3：系統硬件組成框圖

圖4：STM32最小系統電路框圖

圖5：節點窗簾電路

圖6：系統主程序流程圖

圖7：STM32程序流程圖

圖8：ZigBee協調器程序流程圖

圖9：ZigBee節點程序流程圖

3.5 ZigBee節點電路

ZigBee節點電路包括風扇電路、調光電路和窗簾電路。風扇的繼電器驅動電路和照明燈的調光電路相對比較簡單，本文不給出。窗簾電路主要由ULN2003的驅動板和4相5線的步進電機組成，ULN2003驅動板主要作用是為電機放大電流，以驅動步進電機。當步進電機工作于單相八拍模式時，步進角度為5.625o，由于步進電機的減速比為1：64，因此步進電機的真正步進角度為5.625/64。需要控制電機的轉動，通過計算把周期數換成節拍數，實現想要控制步進電機所需要旋轉的周數。窗簾電路如圖5所示。

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要實現STM32上位機和紅外遙控的通信，協調器和節點的通信、節點控制設備三大功能。系統主程序流程如圖6所示，在系統初始化時，先由協調器組網，節點加入網絡，并向協調器發送自己的地址，協調器收到節點地址，并保存節點地址。系統初始化完后，用戶按下要控制的節點按鍵，STM32通過HS0038接頭接收到信號，并通過串口發送給協調器，協調器接收到數據后，分配要發送消息節點的地址和信號，并向節點發送消息。對應的節點接收到消息后，判斷消息類型，并執行相應的操作，控制對應的設備。

4.1 STM32上位機模塊軟件設計

STM32上位機模塊主要實現判斷信號、設置要發送的串口數據和向協調器發送數據功能。STM32程序流程如圖7所示，STM32通過HS0038接收頭接收到用戶從遙控器發來的信號，STM32判斷接收的信號是切換當前節點，還是只是操作命令，然后設置要控制的節點（node）和要操作的命令（cmd），通過串口向協調器發送node和cmd。

圖7中，STM32接收信號是通過定時器捕獲中斷來識別。具體如下，STM32初始化時，設置紅外接收引腳為上邊沿捕獲，當紅外接頭接收到紅外信號時，通過信號輸出腳向STM32輸出高電平，STM32通過邊沿捕獲進入中斷，進入中斷后，設置捕獲引腳為下邊沿捕獲，并清定時器，接收到低電平時，即信號結束，STM32捕獲到下邊沿，再次進入中斷，讀取定時器的計數值，并根據定時器的頻率計算出高電平的時間，最后將得到的高電平時間進行解碼，得到按鍵值返回給主函數，進入到鍵值的判斷信號過程。

4.2 ZigBee協調器軟件設計

協調器程序主要實現接收STM32數據、解析節點地址和命令和向相應的節點發送操作消息功能。ZigBee協調器程序流程如圖8所示，協調器串口接收到STM32發來的消息后，判斷消息是切換當前被選中節點，還是直接操作命令。如果是切換當前節點，協調器向上個節點發送關閉led燈消息，并關閉上個節點的led燈，之后向要選中的節點發送點亮led燈消息；如果是直接操作命令，協調器向當前被選中的節點發送對應的消息。

4.3 ZigBee節點軟件設計

ZigBee節點程序主要實現接收協調器發來的消息和控制相應設備功能。ZigBee節點程序流程如圖9所示，節點接收到消息后，判斷是操作照明燈、風扇還是窗簾，最后控制設備。

5 結束語

系統設計完成后進行了測試,系統運行穩定,對照明燈的亮度調節及風扇和窗簾的開關控制準確。該控制系統結構簡單、控制準確、擴展方便、成本低廉,適合一般家庭使用,具有較高的推廣價值。

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