基于ZigBee通信技術在智能家居中的應用

王 盟

(延安大學 物理學與電子信息學院，陜西 延安 716000)

隨著無線通信技術和傳感器技術的飛速發展，智能家居系統取得長足進步。智能家居有效改善了人們的居住環境，使得人們不再僅局限于對居住位置和住宅面積的要求，還延伸至對居住環境中的智能化和自動化方面的需求[1]。智能家居的應用可以實現對家中插排、開關及家用電器等終端設備的簡單控制，還可以通過攝像頭、智能傳感器等設備對家居環境中的環境數據進行監控，不斷滿足人們日益提高的居住需求。目前，國內外智能家居設備終端功能均較為單一且類似，更多偏向于對家用電器的控制方面，而監測家居中環境實時變化并作出調整的智能家居終端普遍缺失[2]。國內的智能家居終端還存在操作性能不穩定、網絡連接不穩定等功能性問題。這種問題的存在嚴重阻礙智能家居行業的發展。

1 基于ZigBee通信技術的智能家居系統總體設計

1.1 基于ZigBee通信技術的智能家居系統的功能概述

基于ZigBee通信技術的智能家居系統是一項復雜的、系統性的工程，著力于構建一套能實現室內家居環境實時檢測，并通過無線通信技術完成智能網絡控制的家居管理方案。其功能需求要求系統可以實時采集到室內各房間內的圖像信息和環境參數，用戶可以通過移動設備終端實時了解到家里的狀況，系統可以根據環境中參數變化自主做出控制。在系統的環境監測部分，要求設備可以實時監測家中溫度、濕度等環境信息的變化，并能將環境狀態信息及時反饋給用戶，同時，該系統還具備安防功能，需要將火災、燃氣泄漏及水管泄漏等信息及時反饋給用戶，設備可以感知室外雨雪或晴天等天氣狀態，并在自動模式下實現對窗戶的控制[3]。

1.2 基于ZigBee通信技術的智能家居系統的整體架構設計

本文設計的基于ZigBee通信技術的智能家居系統，既要實現家居中不同用電終端之間的控制，還要實現設備與用戶之間的遠程互動。因此，無線通信技術在智能家居系統中就起到舉足輕重的作用。考慮到以上功能的實現，本設計中將以ZigBee、WiFi及GSM無線通信技術為基礎構件完成智能控制、安全防護以及遠程監控的智能家居系統，如圖1所示。其中，ZigBee技術完成家居內無線通信網絡構件，GSM提供安防報警功能。各用電終端設備的信息交流中心環節由ZigBee協調器擔任，其還需要完成室內ZigBee內網逐漸以串口的形式實現協調器與PC端的通信，完成對內網中各監控節點數據和指令的傳輸。由ZigBee通訊模塊、傳感器模塊以及控制單元共同組成ZigBee現場采集/執行器部分，ZigBee通訊模塊保證了在系統內網中可以自由傳輸控制質量和數據參數，傳感器模塊負責采集室內溫度、濕度、CO濃度、煙霧濃度及火災情況等信息，控制單位作為核心單元負責存在用戶預先設定的相關家居參數。系統中的PC機為智能家居系統的網關，實現內網與外網之間的通信與協作，網關、ZigBee協調器以及GSM通訊模塊之間采用DART通信方式，網關與視頻監控模塊之間采取WIFI通信方式。此外，PC機還可以將家中各環境數據實時顯示及存儲起來，并將部分家庭環境信息與警報信息發送到用戶手機終端，以及根據控制要求通過ZigBee協調器作為媒介將控制命令傳送到各個節點。

圖1 智能家居系統硬件結構框圖

2 基于ZigBee通信技術的智能家居系統的硬件系統設計

2.1 ZigBee協調器硬件電路設計

本文設計的智能家居系統的無線收發器選擇CC253x系列設備，其滿足ZigBee的無線通信協議，具備SER、DATA及SRAM的存儲訪問總線，并在內部集成了擴展中斷單元以及調試接口。此外，CC253x系列設備通過增設電源管理功能來實現在不同的供電模式下都可以保證電池具有長效的電池壽命。天線作為無線收發模塊中的核心部分，本文選擇在無線通信距離、射頻通路及模塊功耗等方面都具有良好表現的SMA接口的桿狀天線。電源的輸入電壓為5V，而控制器要求的工作電壓為3.3V，因此，在ZigBee協調器硬件電路設計過程時，需要設計穩壓及降壓電路。MCU工作過程中需要以晶振為工作基準，CC253x系列設備自帶一組32MHz晶振和16MHz的RC振蕩器，在對兩個晶振進行選擇時，考慮到32MHz晶振需要更長的時間啟動，選擇16MHz的RC振蕩器。在ZigBee通信技術的智能家居系統設計過程中，為了防止由于輸入電壓出現異常而發生死機問題，設計手動復位方式來保證系統的正常工作，在CC2530的RESET端接按鍵完成復位功能，在一端上接10uF電解電容至3.3V電壓，在另一端接10uF電解電容至數字地。ZigBee協調器通過異步串行的通信方式與PC機實現通信，但由于CC2530采用TTL電平協議，而PC機的串行端口為RS232電平協議，在硬件電路中采取CH340芯片進行電平轉換[4]。

2.2 智能家居系統現場采集/執行器硬件電路設計

2.2.1 智能家居系統的溫/濕度采集模塊

本設計采用DHT11數字傳感器作為溫/濕度采集模塊，以8位的單片機進行數據處理，通過NTV測溫元件與電阻式感濕器相連來實現對室內溫/濕度的測取，其內部集成自校準模塊來提高系統工作的準確性，并將溫/濕度信息以數字信號行駛輸出。DHT11測溫/濕度數字傳感器的數據線與CC2530的P0.6口相連，其ZigBee通信部分與ZigBee協調器的通信部分硬件電路設計相同。

2.2.2 智能家居系統的燈光控制模塊

本系統需要根據用戶指令或室內明暗程度來實現對燈光的智能控制，對于該部分功能的實現是基于CC2530和51單片機平臺進行聯合開發設計，由80C51單片機實現對燈光用電終端的控制，CC2530實現在ZigBee網絡中串行通信，為了更好地加強對室內燈光的控制效果，可以采用LED等代替普通的白熾燈，更加智能的控制燈光明暗，室內的各燈光設備接于單片機P0.1-P0.2口。由于燈光控制單元的輸入電壓為5V，因此，不需額外設計電壓轉換單元，CC2530硬件電路與ZigBee協調器的通信部分硬件電路設計相同。

2.2.3 智能家居系統的溫/濕度控制模塊

本系統需要根據室內溫/濕度變化來操控空調系統實現對環境的控制，智能家居系統的溫/濕度控制模塊主要由溫度傳感器部分、ZigBee無線收發模塊及主控單元組成，溫度傳感器模塊采用DS18B20芯片，具有體積小、精度高及抗干擾能力強的特點，通過以DS18B20芯片設計參考問題模塊從而判斷何時開啟/關閉空調機構。由于DS18B20芯片在通信過程中采用一線制的通信模式，因此，在通信時需要注意DS18B20芯片的時序要求。單片機P1.3口與空調控制單元相連，單片機P1.3口作為控制開斷的檢測端，單片機P3.7口為DS18B20的數據傳輸口。主控單元、網絡轉換單元、供電模塊的硬件電路設計與燈光控制模塊的硬件電路一致。

2.2.4 智能家居系統的窗戶控制模塊

本系統需要能檢測室外的天氣狀態并能控制窗戶的開關。智能家居系統的窗戶控制模塊由雨水狀態信息采集模塊、主控單元、ZigBee無線收發單元、窗戶開關執行單元，其中雨水狀態信息采集模塊由8位A/D轉換芯片PCF8591T完成工作，PCF8591T由單片機P2.1進行數據連接并通過I2C通信協議與主控單元進行數據傳輸，單片機P0.4口進行窗戶狀態的檢測，單片機P1.0口作為窗戶開關執行單元的端口。雨水狀態信息采集模塊、主控單元、ZigBee無線收發單元、窗戶開關執行單元與燈光控制模塊的硬件電路一致。

2.2.5 智能家居系統的安防控制模塊

本系統需要能自主檢測室內的火災信號，并能在發生火災時完成顯示、傳遞火災信息以及火災報警的功能。本文在設計中采用具有獨立火災檢測和報警功能的智能控制器，控制器的設計基于TMS320F28335芯片，其可以檢測到室內的溫度、濕度、CO濃度、煙霧濃度及火災強度等信息，智能家居系統的安防控制模塊的ZigBee無線網絡數據收發部分的硬件電路與ZigBee協調器的一致。

3.基于ZigBee通信技術的智能家居系統的軟件系統設計

3.1 ZigBee協調器工作流程

本系統在軟件設計部分需要完成網關軟件設計、ZigBee內網節點軟件設計以及視頻監視模塊軟件設計三部分的工作，如圖2所示。其中，網關軟件設計需要實現的功能包括人機交互界面搭建、信息收發功能實現以及視頻顯示窗口。ZigBee內網節點軟件設計需要完成ZigBee協調器軟件設計、現場采集/執行器內各傳感器模塊的軟件設計。

圖2 智能家居系統軟件結構框圖

智能家居系統中的各個通信方需要按照既定的通信標準實現在數據信息網絡內部的發送和接收，在網絡內部將特定的通信標準定義為協議。協議棧的設計是為了在硬件設備平臺上實現無線數據收發的利用特定的、統一的接口設定。ZigBee協議棧主要包括物理層(PHY)、介質訪問控制子層(MAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)及安全服務提供層(SSP)5部分。另外，這5個層面接口之間通過原語進行連接，并且由下層向上層提供數據和管理服務，由上層向下層提供數據服務，而管理服務接口需要提供訪問內部參數、配置以及數據管理機制的功能。ZigBee協調器作為ZigBee內網中核心關鍵和控制起點，擔任著管理ZigBee節點設備和PC網關內部數據信息和控制指令的傳輸。ZigBee協調器采取點播的數據傳輸形式實現獲取溫/濕度采集終端的信息數據，而采取廣播的形式與其它的采集/控制節點進行數據交換，以串口通信協議的形式與PC機進行數據交換。ZigBee協調器工作流程為：給ZigBee協調器上電后，進行系統初始化，再對各信息通道進行掃描，創建信息通道，組建ZigBee內部網絡。當ZigBee內部網絡組建成功之后就對各層進行事件掃描，當ZigBee內部網絡組建失敗時，則繼續組建網絡。當ZigBee協調器檢測到應用層有事件時，則立刻對事件進行處理，若沒有事件需要處理就反復對各層事件進行掃描。

3.2 現場采集/執行器的軟件設計

3.2.1 智能家居系統的溫/濕度采集節點的工作流程

智能家居系統的溫/濕度采集節點負責采集室內的溫度和濕度信息，在對其模塊進行供電之后，搜索ZigBee內部網絡并提出入網請求，當該模塊入網成功之后，開始查詢應用層中是否存在事件，若存在事件則按照既定的規則執行相關操作，需要將傳感器的驅動部分寫入到ZigBee的協議棧應用層中，以方便及時獲取環境中的溫度、濕度等數據信息。溫/濕度采集節點會將數據經過轉換之后，通過ASCII碼的形式以點播的數據傳輸方式傳遞給ZigBee協調器，并可以在網關監測界面中顯示出來。

3.2.2 智能家居系統的燈光控制節點的工作流程

智能家居系統的燈光控制節點功能是要實現遠程控制燈光的開關，在給CC2530模塊上電之后，搜索ZigBee內部網絡并提出入網請求，成功入網檢查應用層中是否存在事件，若存在事件則將指令發送給單片機。單片機接收到上級無線網絡發送的指令之后，先檢查數據包是否完整，若不完整則刪除該數據包，等待接收下一時刻新數據包；若數據包接收完整，則先檢查數據包是否為該節點的數據；若數據為真，則進行相應的操作，若數據為假則拋棄該數據。

3.2.3 智能家居系統的溫/濕度控制節點的工作流程

智能家居系統的溫/濕度控制節點主要是根據室內的環境信息來實現對空調系統的遠程控制，在對該模塊上電之后，搜索ZigBee內部網絡并提出入網請求，成功入網檢查應用層中是否存在事件，若存在事件則將指令傳送給單片機。當單片機接收到上級無線網絡發送的指令之后，先檢查數據包是否完整，若不完整則刪除該數據包，等待接收下一時刻新數據包，若數據包接收完整。若該數據包為完整、正確的數據幀，則對該數據幀進行分解。判斷若當前模塊處于手動控制模式時，則用戶可以直接控制控制溫/濕度執行器的開關，若判斷當前模塊處于手動模式時，則根據當前環境中的溫/濕度狀態與用戶設定的溫/濕度閾值進行比對，從而自動的控制執行器進行溫控制。

3.2.4 智能家居系統的窗戶控制節點的工作流程

智能家居系統的窗戶控制節點需要檢測室外天氣狀態并能根據要求調整窗戶進行開關。在給窗戶控制模塊上電之后，其搜索ZigBee內部網絡并提出入網請求，成功入網檢查應用層中是否存在事件，若有操作需求則將指令數據傳輸給單片機。當該模塊處于手動模式時，則用戶可以根據需求之間打開/關閉窗戶，當該模塊處于自動模式時，當檢查到室外天氣為下雨且窗戶處于開啟狀態時就會控制執行器自動關閉窗戶，同時實時獲取雨水的狀態，并將雨水狀態和窗戶狀態傳送到網關監控界面。智能家居系統的窗戶控制節點軟件流程圖與溫/濕度控制節點軟件流程圖相同。

4 智能家居系統的監控視屏模塊軟件設計

本系統采用QT Creator來進行網關軟件的IDE設計，并利用QT獨特的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架進行設計。根據系統對室內參數的監控要求不同，可以將監控軟件設計分為兩級窗口，其中，一級窗口用于觀測室內主要環境參數并對各模塊執行器進行控制，二級窗口是對用戶所關心的特定環境參數進行觀測并對執行器進行控制。當需要運行監控視屏模塊時，首先啟動程序畫面，并對各對象及各變量進行初始化，建立各堅實控制子界面，分別創建線程1和線程2，跳接至賬號和密碼登錄界面，若用戶輸入正確的賬號密碼，則顯示一級監視窗口。若賬號和密碼輸入錯誤，則提示用戶重新輸入。在監控視屏模塊設計線程1和線程2，其中線程1負責監視ZigBee內網中的數據信息和指令信息，當其串口處收到數據并觸發了相關事件后，就在數據緩沖區內讀取一組數據包，并且若該數據包是正確完整的就對其進行解析和執行，從而改變界面中各個控件的狀態。若該數據包不正確或不完整，則放棄該數據。線程1負責監視GSM網絡中的數據信息和指令信息，當其串口處收到數據并觸發了相關事件后，就在數據緩沖區內讀取一組數據包，并檢查該數據包是否符合完整的數據包格式，若符合條件者發送至下一步配置指令或讀取相關的控制質量，若數據不滿足執行要求，則丟棄該數據包并定時的重新讀取新的數據包。

5 結語

無線通信技術和傳感器技術的不斷成熟，為智能家居設備的發展和完善提供契機。本文設計的基于ZigBee通信技術的智能家居系統是考慮到ZigBee技術的強穿透能力和高抗干擾能力，其不用另配置通信電纜，只是通過構建Mesh-network網狀網絡使得各家居設備都得到信號的覆蓋，保證了對溫/濕度控制、燈光控制以及門窗開關控制。本文設計的基于ZigBee通信技術的智能家居系統突破了傳統家居設備控制的單一化操作模式，實現全系統的一體化操作，有效提升了用戶的居住體驗。