基于Zigbee 通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

徐雍倡 石學(xué)文 王子健

(1、曲阜師范大學(xué)，山東 日照276800 2、山東大學(xué)（威海），山東 威海264209)

1 概述

21 世紀(jì)以來，信息化社會發(fā)展不斷提速，生活的方方面面也已經(jīng)被信息化高科技產(chǎn)品包圍，人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷地在改變著人類的生活方式，甚至思考方式。智能家居是新時代的應(yīng)運而生，目前國內(nèi)的智能家居已經(jīng)進入了快速發(fā)展的階段，正是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感器的飛速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅嗽絹碓狡占暗膽?yīng)用。智能家居系統(tǒng)的平臺是家庭住宅，通過控制各種家居設(shè)備，成為集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的智能系統(tǒng)。在智能的時代，可以借助計算機技術(shù)、單片機嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來完成對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制，以此來便捷我們的生活。無線網(wǎng)絡(luò)的低功耗、無線通信等傳輸優(yōu)點，也成為了家居系統(tǒng)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)方面的一大選擇優(yōu)勢，越來越多的智能家居系統(tǒng)選擇無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，這是一大趨勢。現(xiàn)在涌現(xiàn)出了大量智能家居的解決方案，但其整體性能還存在很大的完善空間，往往是系統(tǒng)在能源利用率、長期穩(wěn)定性以及可擴展性上還不足以達(dá)到一個高標(biāo)準(zhǔn)，難免會存在各式各樣的不足之處，各方面兼得完備的智能家居解決方案就少之又少。本方案在各個環(huán)節(jié)設(shè)計上，以節(jié)省能源、高效、準(zhǔn)確，可擴展為前提，提升智能家居的整體性能，并具有更強的實用性，是一套行之有效的智能家居系統(tǒng)的解決方案。

2 系統(tǒng)總體概述及控制方案

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，完成了對家庭中各種環(huán)境參數(shù)以及電氣設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。為方便住宅主人可以掌握家庭中各種情況，該系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控和報警功能。該系統(tǒng)由家庭網(wǎng)關(guān)和多個傳感節(jié)點組成，通過組建ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)端協(xié)調(diào)器與底層環(huán)境監(jiān)測傳感器和電氣設(shè)備控制模塊的數(shù)據(jù)通信，傳感層將采集的環(huán)境參數(shù)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)進行融合分析處理并上傳至云平臺，此外網(wǎng)關(guān)接收平臺下發(fā)的控制命令完成對家庭設(shè)備的控制。另額外設(shè)計的人機交互功采用微信小程序和觸摸屏兩種實現(xiàn)形式，為人們提供了各種豐富、個性化、方便舒適的服務(wù)，進一步提高人們的生活質(zhì)量和水平（圖1）。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要分為兩個部分：網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計、傳感層采集電路和控制電路設(shè)計。

3.1 網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計。網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計部分主要包括主控制器、ZigBee 協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路設(shè)計三部分。3.1.1 主控電路設(shè)計。網(wǎng)關(guān)主控制器采用ST 公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6 處理器，該芯片有3 路串口分別連接網(wǎng)絡(luò)模塊、協(xié)調(diào)器和觸摸屏。主控部分包括晶振電路、復(fù)位電路、濾波電路和下載電路。3.1.2 協(xié)調(diào)器電路設(shè)計。ZigBee 協(xié)調(diào)器傳輸模塊采用工作在2.4G 免費頻段的CC2530 作為主控芯片，利用CC2530 芯片實現(xiàn)控制服務(wù)器與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和控制, 其能夠建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 內(nèi)部包含一個專門支持ZigBee 協(xié)議和底層協(xié)議IEEE802.15.4 的定時器，并且支持低功耗模式。ZigBee 技 術(shù)是 一種新興的近距離無線通信技術(shù)，它是IEEE802.15.4 協(xié)議的代名詞,根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)中心，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)采集傳輸以及各終端節(jié)點地址的分配，協(xié)調(diào)器與主控制器之間采用串口進行通信。3.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用USR-WIFI232-B2，相比2G 而言，速度快，連接方便是它的選擇優(yōu)勢。主控器將傳感器數(shù)據(jù)按照約定協(xié)議打包通過WIFI 模塊發(fā)送至云平臺，平臺對數(shù)據(jù)進行解析后，通過網(wǎng)頁和小程序進行顯示。WIFI 模塊接收平臺發(fā)送的控制命令并發(fā)送給主控制器。

3.2 傳感器節(jié)點設(shè)計。傳感器節(jié)點設(shè)計主要包括環(huán)境參數(shù)如空氣溫濕度、光照強度、煙霧濃度以及人體紅外檢測等。溫濕度傳感器選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，內(nèi)部高性能8 位單片機與電阻式感濕元件和NTC 測溫元件相連，具備抗干擾和快速響應(yīng)的實際優(yōu)勢。使用單總線與主控制器進行通信，采集數(shù)值靈敏精準(zhǔn)。光照強度選用BH1750 傳感器進行采集，采用IIC 與主控制器進行通信，具有高靈敏度、高精度、性能穩(wěn)定等特點。煙霧傳感器選用MQ-2，對液化氣、烷烴類、天然氣和煙霧等可燃性氣體進行檢測。讀取傳感器的數(shù)據(jù)采用ZigBee 的AD 轉(zhuǎn)換電路這一方式。人體紅外傳感器采用HC-S501，可以檢測出是否有人通過。燈光控制電路采用G3MB-202P 固態(tài)繼電器進行設(shè)計，繼電器與主控之間采用PC817 光耦進行隔離，可以通過改變占空比實現(xiàn)燈光強度的控制。風(fēng)扇控制電路與燈光控制一致，傳感層主控制器均采用CC2530 芯片。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計、無線傳感網(wǎng)程序設(shè)計兩個部分。

4.1 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計。本系統(tǒng)主控芯片選用STM32F103C8T6處理器，設(shè)備上電后首先進行系統(tǒng)初始化，配置定時器、串口和相關(guān)I/O 口，初始化完成后協(xié)調(diào)器等待接收終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給主控制器，主控制器將所有節(jié)點數(shù)據(jù)按照約定好協(xié)議進行打包，5 分鐘上傳平臺一次。其次網(wǎng)關(guān)接收平臺和觸摸屏下發(fā)的控制指令，并通過協(xié)調(diào)器發(fā)送至各節(jié)點。

4.2 無線傳感網(wǎng)程序設(shè)計。本部分主要包括ZigBee 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點程序設(shè)計。協(xié)調(diào)器工作后率先進行無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，同時等待終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并自動給每個節(jié)點分配不同的PAN ID，搭建好網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器一方面接收各傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，另一方面協(xié)調(diào)器接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令以廣播的形式將指令發(fā)送至各終端節(jié)點，實現(xiàn)對指定設(shè)備的控制。

4.3 人機交互設(shè)計。本系統(tǒng)采用微信小程序和觸摸屏兩種控制方式。微信小程序作為主要的人機交互界面，極大地提升了遠(yuǎn)程控制體驗。通過小程序可以查看基本信息、實時數(shù)據(jù)、歷史信息、視頻監(jiān)控以及報警記錄。其中報警功能通過服務(wù)器推送給小程序。采用HMI 串口觸摸屏進行輔助控制，方便用戶在家查看與使用。

4.4 系統(tǒng)調(diào)試。硬件電路的設(shè)計完成后，下載程序進行整體調(diào)試，網(wǎng)關(guān)設(shè)計合理并能穩(wěn)定運行。網(wǎng)關(guān)電路板上設(shè)計wifi 指示燈，方便查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。終端節(jié)點設(shè)計美觀輕巧方便安放，每個節(jié)點上均設(shè)計一路指示燈用于查看節(jié)點是否正常工作。

網(wǎng)關(guān)和各終端節(jié)點整合后，進行聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)平臺搭建如圖2 所示。

通過小程序以及觸摸屏，室內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)一目了然，通過控制按鈕可以實現(xiàn)對照明燈和風(fēng)扇設(shè)備的狀態(tài)控制。

圖2 系統(tǒng)平臺搭建整體圖

圖3 歷史數(shù)據(jù)的小程序界面

此外通過小程序可以查看報警記錄、歷史記錄以及視屏監(jiān)控。通過測試，驗證了系統(tǒng)的可行性與合理性符合設(shè)計初衷，整套系統(tǒng)經(jīng)過長時間測試可以穩(wěn)定運行。其中歷史數(shù)據(jù)的小程序界面如圖3 所示。

5 結(jié)論

本文充分利用各專業(yè)技術(shù)最大程度地解決物聯(lián)網(wǎng)家居的能耗、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和擴展性問題，通過ZigBee 組建網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了各傳感器與家庭設(shè)備統(tǒng)一管理、單獨控制的服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，并應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過小程序?qū)彝崟r環(huán)境參數(shù)進行遠(yuǎn)程訪問與控制，以及設(shè)計本地觸摸屏實時顯示各項參數(shù)，極大提升了人性化管理體驗，能夠構(gòu)建一個更加穩(wěn)定安全、簡易快捷、舒適智能的生活空間。