基于ZIGBEE無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦煜明 周盼 周柏任 董姜凌

摘 要： 在人們安全防范意識不斷提升、生活水平不斷提升的過程中，人們對自身的居住環(huán)境具有了更高的關(guān)注度，不僅對家居環(huán)境的舒適性以及人性化具有要求，對安全、智能也具有了更高的要求。在本文中，將就基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的研究。

關(guān)鍵詞：ZigBee無線技術(shù);智能家居;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

智能家居控制是一個(gè)復(fù)雜程度較高的控制系統(tǒng)，為多種技術(shù)的融合應(yīng)用，即在住宅為平臺的基礎(chǔ)上通過計(jì)算 ?機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信以及自動控制技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)中各類子系統(tǒng)，在對網(wǎng)絡(luò)化、家庭化家居控制目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上使家庭生活具有智能、便利以及安全的特征。同普通家居相比，智能家居在具有傳統(tǒng)居住功能的同時(shí)能夠具有舒適安全以及高效節(jié)能的特點(diǎn)，能夠獲得更為人性化的生活體驗(yàn)。

在智能家居實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，無線控制設(shè)備是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容，就以往來說，控制設(shè)備具有較多的遙控終 ?端，不僅在管理方面存在難度，且使用較為復(fù)雜。在現(xiàn)今信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的過程當(dāng)中，手機(jī)則可以作為智能家居的控制中心使用，通過手機(jī)APP同無線通訊方式的應(yīng)用在對研發(fā)制造成本進(jìn)行降低的基礎(chǔ)上獲得更好的體驗(yàn)。

2 ZigBee協(xié)議

在具體傳輸方面，傳統(tǒng)的WiFi以及藍(lán)牙方式受到價(jià)格、功耗、傳輸距離等方面的影響，而對其廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了一定的限制。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)不斷研究發(fā)展的過程當(dāng)中，ZigBee技術(shù)得到了發(fā)展，具有著成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低以及安全可靠的特征。在ZigBee協(xié)議棧當(dāng)中，其具有四層結(jié)構(gòu)的定義，即物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用支撐子層這幾部分。應(yīng)用層框架方面，則由設(shè)備對象以及應(yīng)用支持子層組成。在實(shí)際工作當(dāng)中，由協(xié)議棧當(dāng)中的各層對對應(yīng)的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行完成，并在目前任務(wù)后向上層對服務(wù)與信息進(jìn)行提供，在不同層間，通過接口邏輯鏈路方式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)服務(wù)與信息的提供。網(wǎng)絡(luò)層方面，其支持星型、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀型以及樹形結(jié)構(gòu)。在本研究當(dāng)中，對星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用，使用網(wǎng)關(guān)對其進(jìn)行組建維護(hù)處理。

3 總體設(shè)計(jì)

在本研究當(dāng)中，將以Android手機(jī)為控制軸心，通過WIFI或者公網(wǎng)（2/3/4G）與云端服務(wù)器連接，對ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制，Zigbee網(wǎng)關(guān)與Zigbee控制器使用星型組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，使用者在手機(jī)上安裝相應(yīng)的APP軟件，再使用WIFI或者公網(wǎng)（2/3/4G）連接后云端服務(wù)器后，通過與云端服務(wù)器的命令交互，向Zigbee網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令。Zigbee網(wǎng)關(guān)在接收到命令之后，根據(jù)云端服務(wù)器和Zigbee網(wǎng)關(guān)之間的協(xié)議，ZigBee網(wǎng)關(guān)根據(jù)命令控制對應(yīng)的Zigbee子節(jié)點(diǎn)，達(dá)到控制被控對象和采集數(shù)據(jù)的目的，實(shí)現(xiàn)智能家居，實(shí)現(xiàn)達(dá)到智能化控制的目標(biāo)。被控對象可以包括燈光、窗簾、空調(diào)、電視、熱水器、電飯鍋等，使用者通過手機(jī)APP登錄賬號，在APP圖形化的界面點(diǎn)擊不同的功能，控制不同的對象;傳感器采集功能方面，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域發(fā)生警情或者其他情況時(shí)，在監(jiān)控區(qū)域安裝的傳感器則會將探測到的警情信息或者其他的情況后，Zigbee子節(jié)點(diǎn)將采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，Zigbee子節(jié)點(diǎn)將警情信息或者其他的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的上傳到Zigbee網(wǎng)關(guān)，再有Zigbee網(wǎng)關(guān)上報(bào)到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器將根據(jù)警情信息調(diào)用相應(yīng)的接口，實(shí)時(shí)通知對應(yīng)的報(bào)警平臺，并通過和手機(jī)APP的通訊協(xié)議推送警情到使用人的手機(jī)。

4 系統(tǒng)硬件電路

該系統(tǒng)由ZigBee子節(jié)點(diǎn)、Zigbee網(wǎng)關(guān)、Android手機(jī)、云端服務(wù)器以及各類傳感器組成。ZigBee子節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)的主要電路設(shè)計(jì)，在本研究中，所使用的Zigbee基帶芯片為AT86RF212，該芯片集成700/800/900MHz頻段的收發(fā)器，中國WPAN頻段為779MHz至787MHz，1.8V～3.6V低電源供電，睡眠電流0.2uA，收發(fā)器關(guān)閉時(shí)電流為0.4mA，接收狀態(tài)為9.0mA，接收靈敏度達(dá)-110dBm，可編程發(fā)送輸出頻率可達(dá)+10dBm，可支持IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)[2]低數(shù)據(jù)傳輸速率（20和40kbit/s）并通過O-QPSK調(diào)制制式分別支持符合IEEE 802.15.4-2006[1]和IEEE P802.15.4c草擬修訂本[3]標(biāo)準(zhǔn)的選用數(shù)據(jù)傳輸速率（100和250kbit/s）。此外，還可實(shí)現(xiàn)特有的高達(dá)1000 kbit/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率模式;子節(jié)點(diǎn)控制器采用超低功耗的MCU，型號為MSP430F5328，該MCU供電電壓范圍1.8V～3.6V，待機(jī)模式下功耗為1.4uA@3V供電時(shí)，具有多種低功耗模式，很適合電池供電的系統(tǒng);網(wǎng)關(guān)MCU采用功能強(qiáng)大的LPC1766，該芯片采用的ARM Cortex-M3架構(gòu)，主頻可達(dá)100MHz，支持RMII網(wǎng)絡(luò)接口和多路UASRT接口，符合本系統(tǒng)中Zigbee網(wǎng)關(guān)的需求。

5 軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 手機(jī)監(jiān)控界面

在手機(jī)端監(jiān)控界面方面，主要具有燈光、窗簾、空調(diào)、電視、熱水器、電飯鍋控制按鈕、報(bào)警信息、連接狀態(tài)顯示等相關(guān)信息，通過按鍵方式對控制命令進(jìn)行發(fā)送。同時(shí)，允許在同一時(shí)間具有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的接入，能夠?qū)€(gè)子節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和控制。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)軟件方面，采用ATMEL的BitCloud Zigbee協(xié)議棧，BitCloud完全兼用ZigBee?PRO和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在更改協(xié)議棧配置的情況下，即能夠?qū)f(xié)議棧實(shí)現(xiàn)對子節(jié)點(diǎn)的控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，子節(jié)點(diǎn)除了Zigbee協(xié)議棧外還包含硬件方面的初始化處理和業(yè)務(wù)處理程序;網(wǎng)關(guān)除了Zigbee協(xié)議棧外，還包含網(wǎng)絡(luò)方面的處理程序和業(yè)務(wù)處理程序。

6 結(jié)束語

在上述文中，我們對基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究。該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N傳感器（例如氣體、溫濕度）的檢測、多種場景應(yīng)用控制的實(shí)現(xiàn)，且具有報(bào)警、控制等功能，能夠在家居安全的基礎(chǔ)上為居民提供更為舒適、便捷的生活環(huán)境，具有較好的研究應(yīng)用價(jià)值。

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[6] AT86RF212.pdf

（南京工程學(xué)院）