基于ZigBee的智能家居環境舒適度控制系統

李洪璠 劉柏峰 薛志興

摘? 要：利用短距離無線通信技術ZigBee，以S3C2410微處理器作為核心主控制器搭建一個智能家居系統。主控制器在智能家居系統中充當著一個強大功能的家庭網管的角色，以CC2430芯片作為無線收發模塊，通過一臺PC機接入Internet，實現了室內溫濕度，光線亮度及空氣清潔度等控制。智能家居系統移動性好，省去大量的電纜連線，擴容便捷，提高了室內環境舒適度。

關鍵詞：智能家居;環境舒適度;ZigBee

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）05-0033-02

1 概述

在信息時代下，生活方式的不斷變革，安全而又舒適的家居環境越來越受到人們的關注，信息與家居的結合正是智能家居，智能家居的出現，使人們對家居環境舒適度的要求越來越高。本文設計的智能家居目的在于提供一個舒適的智能家居環境，利用智能家居網絡控制室內溫濕度、光照度及空氣的清潔度。即對家居環境進行精密的智能監測與控制，使人們的家居環境變得更加信息化和智能化。

2 系統設計

智能家居系統由主機（主控制器）和單機（終端節點）兩部分構成，兩者分工明確，主機主要負責進行數據運算和給出邏輯命令[1];單機主要負責進行數據的采集和傳輸以及邏輯命令的執行。

2.1 主控制器設計

主控制器是整個智能家居系統的核心，它通過無線收發模塊CC2430ZigBee與智能家居中的溫濕度終端節點、光照終端節點、空氣清潔度終端節點共同組網，進行數據匯集，通過接入 Internet 建立外部通信，實現室內外部網絡和室內網絡間協議轉化的功能，從而實現系統功能。主控制器結構框圖如圖1所示。

結構框圖中對自身沒有以太網接口的S3C2410微處理器，需要在以太網芯片CS8900 連接到處理器的總線的情況下才能完成。要完成對ZigBee終端節點的終端設備的操作就要在智能家居主控制器上架設Web服務器，利用CGI接口調用后臺CGI程序，連接Web服務器與具體的控制程序[2]。把主控制器接入外網，通過一臺接有Internet的PC機，輸入主控制器的網址，即可實現遠程對各個終端設備的運行情況進行監控。

2.2 終端節點設計

終端節點設計主要分溫濕度控制節點、光線控制節點、光線控制節點三部分，可以實現室內溫濕度、光線和空氣清潔度等環境舒適度控制。下圖2所示ZigBee 終端節點是由無線通信模塊、處理器模塊、電源模塊、傳感器等幾個部分構成。電源控制模塊是ZigBee終端模塊運行必不可少的，為系統提供合適的能量。室內安裝的光照傳感器、溫濕度傳感器和氣體傳感器采集的光線、溫濕度、空氣質量等相關數據，通過CC2430中無線通信模塊終端節點把數據傳送給主控制器，同時接收主控制器發出的控制命令，對受控設備空調（風扇）、窗簾、換氣設備進行控制和調節。

3 系統硬件電路設計

3.1 溫濕度硬件電路設計

溫度和濕度是居室生活舒適度最基本要求，溫濕度硬件電路主要由無線收發模塊CC2430，溫濕度傳感器，紅外發射模塊，電源模塊和調試接口五大部分構成。溫濕度控制過程即通過溫濕度傳感器采集室內溫度、濕度數據，通過室內無線網絡將采集的數據傳輸給主控制器，主控制器把接收的數據進行比較和分析，用分析和比較的結果去控制傳輸量，對溫度和濕度的控制節點加以控制，通過紅外發射模塊控制節點的空調設備的控制命令來設定溫度，加熱，加濕，除濕等功能，進而對室內的溫度和濕度進行有效地控制。

3.2 光線控制硬件電路設計

室內的光線主要來自自然光與燈光。智能家居燈光控制自然光的合理利用十分重要，通過在自然光線的采集方法打開窗簾的情況下達到室內照明的要求，啟動燈光控制。

燈光控制系統在本設計中是在自動模式下工作，根據設定的各種普通場景的時間發送給主控制器，根據一天內不同時間段光線強度不同，系統將自動切換到現場，控制相應的場景。利用室內移動探測器，以檢測室內照明光傳感器是否收集數據，光照明控制節點數據和移動檢測數據發送到智能家居的主控制器，通過無線網絡，根據窗簾緊閉程度和室內光線對應的光發送命令的主要控制，提出了一種柔軟，舒適的照明場景，使用戶可以很好的放松和休息。在晚上，窗簾自動關閉命令控制發送數據，照明和運動檢測數據，智能家居系統反饋給主控制器，通過移動探頭數據來確定是否是室內的主控制器，然后發送一個調光命令的節點，它可以自動提供室內光線充足，無人值守燈自動關閉。每一個不同的場景默認燈光設置，用戶還能夠利用改變自己的設置手動控制開關來來實現客戶可能想要照亮的場景。

整個系統是根據客戶的需要進行個性化的設計，還能夠根據喜好進行調整。自動關燈的無人區通過自然光的合理使用，同時達到節能的作用。

3.3 空氣清潔度控制硬件電路設計

設計的空氣清潔度控制系統，是把室內的空氣清潔度作為一個整體。在室內安裝的氣體傳感器，把采集室內的氣體濃度信號轉換成電信號，傳送給CC2430，進行A/D模數轉換，再通過終端節點把空氣質量數據送到主控制器。主控制器對終端節點發送過來的數據和合格的空氣質量數據進行比較和分析后，建立了接收數據，發送控制命令，控制節點的空氣清新度，節點通過打開或關閉通風設備，調整室內空氣清新度。不會對用戶的生活環境中自動通風產生不利的影響，充分清潔室內的空氣，在任何時間，客戶的室內空氣是衛生的，新鮮的。

4 系統軟件設計

系統軟件設計是實現主控制器和以太網通信、ZigBee協調器和各個終端節點通信、節點控制設備三大功能。下面僅給出主控制器和終端節點軟件設計過程。

4.1 主控制器軟件設計思路

設計主控制器的軟件是在Linux操作系統的基礎之上的， ZigBee協議棧，Web服務器，應用程序都應該是包含在內的。在還沒有開發平臺的Linux操作系統的時候，最先要負責引導程序Bootloader。Bootloader是在操作程序執行的操作系統內核的一小部分，選擇VIVI Bootloader，VIVI源代碼經過編譯環境生成的二進制圖像文件，刻錄到Flash開發平臺通過JTAG。Linux操作系統，包括Linux內核的移植和文件系統的移植，Linux內核的移植來自維持。該應用程序是基于CGI技術，Web服務器可執行程序。主制器的應用程序（CGI程序）可以通過系統的ZigBee協議驅動程序服務訪問[2]。

4.2 終端節點軟件設計思路

設計終端節點的軟件采用模塊化設計。各功能節點之間是相互獨立的，互不干擾，同時，溫濕度節點、光照節點、空氣清新度節點都由主控制器控制，且進行數據傳輸，要是兩個節點進行通信，首先將數據發送到主控制器，對彼此的主機控制器轉發。各功能節點的具體設計的過程是，通過PC機編寫程序，修改源代碼，借助IAR軟件協議棧，編譯和鏈接，生成二進制文件，利用燒寫工具把程序寫到目標板的二進制文件，編寫相應的函數節點[2]。每個功能節點程序實現之后，再通過主控制器的控制，對每個節點的控制相應的功能就實現了。

5 結束語

由主控制器和終端節點組成的環境舒適度控制系統利用ZigBee無線通信模塊對傳感器采集的數據進行讀取，通過智能家居無線網絡與主控制器模塊進行無線通信[3]，把數據傳送給主控制器，并接收主控制器的控制命令，實現對室內光照度、溫濕度、空氣清潔度的控制。該系統結構簡單，穩定性好、能有效改善家居環境的舒適性。

參考文獻：

[1]彭銀橋，吳吉.ZigBee技術的智能家居控制系統[J].電子技術與軟件工程，2018（08）：43-44.

[2]楊利亞.基于ZigBee的無線傳感器網絡在智能家居系統中的應用[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2010.

[3]藏恒星，章國寶，朱葉盛.基于CC2530的智能家居ZigBee模塊設計[J].工業控制計算機，2016，29（02）：29-30.