基于ZigBee技術的智能家居系統研發

劉雅琴 任舒婷 遲方辰 孫堂正

摘 要：文中提出基于ZigBee網絡傳輸技術的智能家居系統的方案設計，利用ZigBee無線通信技術實現主控的易操作、低功耗以及系統穩定的目標。ZigBee終端節點設備通過使用多種類型的傳感器模塊單元，再運用Z-Stack協議完成組網，實現了智能語音識別、燈光控制、瓦斯濃度監測以及GMS短信警報功能。最終，對ZigBee的通信距離及穩定性進行測試，實現了預期設計目標。

關鍵詞：ZigBee技術;無線網絡;智能家居;Z-Stack協議;語音識別;安防系統

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

隨著科技日新月異，人們對住宅的要求也越來越高。一套溫暖舒適、穩定可靠且兼具科技感的多功能智能家居系統往往會受到人們的青睞。隨著移動互聯網和智能手機的普及，智能家居的無線通信網絡技術也更吸引人們的注意力。ZigBee技術是一種雙向互通無線通信技術，其技術方案介于藍牙技術和無線標記技術之間，廣泛應用于簡單、低速、距離短、能耗少、成本低的電氣信息設備間的數據交換傳遞[1]。其在低數據速率無線網絡應用方面前景可觀。

目前智能家居處于蓬勃發展期，多數的產品滿足了人們的大部分需求，但是還存在一些不足，如缺乏統一的標準、價格昂貴、 操作復雜。燃氣的檢測與報警處理是家庭安全防范的重要組成部分，同時隨著手機和人機交互的快速發展，人性化的設備越來越受到市場歡迎。分析了現有智能家居控制系統的發展現狀，對比調研多種網絡通信技術的特點，提出了一種可行的智能家居控制系統方案。該方案設計的網絡硬件載體選用的是TI公司生產的CC2530，相應搭配語音識別模塊的核心芯片是IC Route公司生產的LCD3320。GSM警報模塊的核心芯片是SIM800A，其通信接口兼容各種單片機，可直接與硬件連接進行調試。此系統實現了智能語音識別、家庭中燈光控制、瓦斯濃度監測以及GMS短信警報功能，省去用戶不合理布線帶來的影響，也不存在自行安裝損壞產品、調試產品耽誤時間等缺點。

1 系統結構

ZigBee技術有點類似于CDMA和GSM網絡，可以進行雙向的無線通信，一般使用于距離近、功耗要求低和安全性高的無線網絡通信中[2]。星型拓撲結構采用了以ZigBee協調器為中心的網絡結構，所有的設備要傳輸信息都需要通過協調器來進行[3]。此結構容易搭建，且適用于節點數目少、中距離無線傳輸信息的家居系統。

本設計中智能家居系統結構如圖1所示。該系統由三個部分組成：ZigBee無線傳感網絡、智能終端及協調控制端。系統內部由ZigBee 星型網絡組成，終端上的語音識別模塊和可燃氣體傳感器的狀態信息在ZigBee網絡中自由傳輸。 當用戶下達語音控制命令時，由語音識別模塊識別用戶的命令并將信息通過ZigBee網絡傳送給協調器，而協調器對LED設備進行控制，完成打開燈光、調節燈光亮度等操作。而在家庭無人的情況下，易燃氣體監測成為主要的安全問題之一。當終端設備上搭載的傳感器檢測到可燃氣體時，會立刻將信息傳送給協調器，從而觸發GSM短信報警模塊工作，向用戶發送短信。

2 系統設計與實現

2.1 系統硬件設計

2.1.1 CC2530片上系統

本設計使用ZigBee技術進行智能家居系統無線傳感網絡的組網，選用TI公司的CC2530片上系統作為ZigBee模塊。CC2530是進行ZigBee組網的理想解決方案，使用CC2530進行組網，成本低廉并且性能優異[3]。CC2530片內集成了RF收發器和增強型的8051內核，芯片內可編程閃存最高可達256 KB，增添的3 dB/2.4 GHz的天線，完全滿足絕大數應用的需求。TI公司同時也推出了相應的協議棧Z-Stack。在該協議棧內部植入了一個基于事件驅動的輪詢式操作系統OSAL，能很好地響應系統關聯的觸發時間[4]。

2.1.2 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料。二氧化錫可與空氣中的氧氣發生反應，形成氧的負離子吸附，引起導體電導率的變化。基于電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大的特點，即可靈敏地檢測可疑氣體的濃度。再利用簡單的電路設計即可將輸出電阻的變化轉換為該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對氫氣、烷類氣體的靈敏度高，對天然氣和煙霧的檢測也很理想。這種傳感器具有穩定性好、響應迅速、驅動電路簡單等特點，可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。在設計中，當危險氣體環境濃度達到報警值時，TTL開關信號輸出低電平至終端節點P0_6端口;平時正常狀態時為高電平。

2.1.3 短信報警模塊SIM800A

SIM800A是一款由SIMCOM公司生產的GPRS通信模塊，支持GSM和GPRS兩個頻段，SMT封裝，具有極大的應用價值[5]。SIM800A模塊與CC2530具有良好的兼容性，且性價比高、功耗低，得到報警信息后進行無線傳輸向用戶發送短信，保證了數據傳輸過程的可靠性與穩定性。

2.1.4 語音識別模塊

LCD3320是一款由IC Route公司設計生產的“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括A/D轉換器、D/A轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等，可直接實現語音識別、聲控、人機對話功能。芯片集成的麥克風將采集到的信號進行頻譜分析，并采用二級指令控制方法提取語音特征[6]。通過IC Route公司特有的快速而穩定的DSP優化算法，完成非特定語音識別，準確率高達95%。

2.2 系統軟件設計

本設計移植了TI公司推出的Z-Stack協議棧。協議是一系列的通信標準，協議棧則可理解為協議與用戶之間的一個接口，開發人員通過使用協議棧來使用協議，實現無線數據收發。Z-Stack協議棧建立在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層規范之上。網絡層（NWK）和應用層（APL）由ZigBee聯盟來制定，每一層都自下而上地為上一層提供數據或服務[7]。在應用層內提供了應用程序支持子層（APS）和應用程序對象（ZDO）。ZigBee協議的體系結構如圖2所示。

Z-Stack是經過ZigBee聯盟認證的ZigBee應用開發標準平臺[8]，其目的是在網絡覆蓋的工作區域中感知、收集和處理感知對象的信息，并將其發布給觀察者。Z-Stack軟件也因其出色的ZigBee與ZigBee PRO特性集被ZigBee測試機構國家技術服務公司（NTS）評為ZigBee聯盟最高業內水平。目前該軟件已為全球數以千計的開發人員采用。它裝載在一個基于IAR開發環境的工程里，配套完整穩定的專業嵌入式應用開發工具IAR Embedded Workbench的C交叉編譯器，組成了層次清晰，工具齊全的ZigBee應用開發環境。

ZigBee網絡設備軟件主要包括ZigBee網絡協調器、終端節點和執行模塊的應用程序。系統軟件架構如圖3所示。

2.2.1 ZigBee協調器設計

星型結構是WPAN最簡單的單跳網絡拓撲結構，以協調器為中心建立無線網絡，網絡協調器必須為FFD設備[9]。它的功能包括創建網絡、添加成員、數據管理與上位機交互等。協調器選擇一個信道和一個網絡ID，隨后分配終端節點的網絡地址，啟動網絡。協調器也可用來協助綁定建立安全層與應用層。在智能家居系統中，各ZigBee終端節點將采集到的傳感器信息數據無線傳輸給ZigBee協調端，協調端由信息判斷執行操作。ZigBee協調端工作流程如圖4所示。

2.2.2 ZigBee終端設計

ZigBee終端節點程序主要是實現加入網絡以及傳感器信息的采集和傳輸。本設計中，終端節點經過操作系統、應用層等一系列初始化后，反饋判斷后加入網絡。網絡狀態更新，終端開始循環收集語音識別模塊及氣體傳感器的數據傳送給協調端，協調端根據實時采集數據對GSM報警模塊和LED照明進行操控。ZigBee終端設備工作流程如圖5所示。

3 系統測試

在對本智能家居系統搭建完成后，主要對系統的通信質量和信息采集準確率進行測試。試驗使用CC2530三塊開發板分別作為協調器和兩個終端節點。協調器收到數據后執行相應動作，節點信息可通過TFT屏或串口助手顯示。

3.1 網絡組件測試

使用IAR Embedded Workbench軟件將協調器與終端程序編譯好，協調器上電后立即自動創建網絡，搜尋子設備。協調器網絡地址為0x0001。打開兩個終端節點，成功加入網絡，分配網絡地址0x0002。再將終端節點電源關閉后打開，可從TFT屏上觀察到節點重新回到網絡，說明網絡有較好的安全性和自愈功能。分別測試語音識別模塊和GSM報警模塊，識別準確，工作正常。圖6為語音命令時串口助手界面。

3.2 通信質量與信息采集測試

將調試好的系統終端節點分別布置在家中相應位置，依次上電。用打火機在廚房終端附近模擬煤氣泄漏狀況，終端指示燈亮且協調器GSM模塊立刻發送報警信息。在房間入口或交接處終端附近開燈或關燈，協調端LED燈響應及時、準確。試驗節點距離須保持在30 m內，測試結果表明，系統通信質量穩定，氣體傳感器及語音識別模塊采集數據信息準確度較高。圖7為手機接收報警信息界面。

4 結 語

ZigBee技術的出現彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。本文采用ZigBee無線通信技術搭建了一套具有免布線、維護方便、運行費用低的智能家居系統。在智能家居和商業樓宇自動化方面，將燈光、電視、安防等通過遙控器一手掌控，遠比傳統遙控方式更方便。開發語音識別功能可方便快捷地進行人機交互，GSM警報功能則能快速高效地滿足家庭無人環境下實時安防的需求。測試結果表明，基于ZigBee技術的智能家居研發系統穩定性好、靈敏度高，便于功能擴展，在智能家居市場有較好的應用前景。

參考文獻

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[3]張文海.基于物聯網的智能家居安防系統設計[D].西安：西安電子科技大學，2015.

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