智能家居無線網絡的關鍵技術研究和系統設計

伍巍

摘要：隨著人們家居觀念的改變，智能家居成為必然的發展趨勢。低成本、低功耗、易于維護、穩定性好的智能家居控制系統的研發和自動控制、計算機和通信等多個領域有關。家庭聯網模式直接關系到智能家居控制系統的靈活性。本文結合ZigBee技術和iOS系統設計了智能家居無線網絡系統。

關鍵詞：ZigBee;智能家居;無線網絡

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0153-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

智能家居網關最初是由工業論壇組織定義的。它表示一個集中式智能接口，該接口將外部網絡連接到家庭并連接家庭的內部網絡。實際上它是整個家庭網絡的簡單，智能，標準化和靈活的接口單元，能接收各種外網的通信信號，然后經由家庭網絡將其發送到各種家居設備。為了實現遠程監控家庭狀態和家居終端的交互操作，聯網和對家庭網絡的訪問是核心問題。ZigBee技術是一種新型的短距離，低功耗，低成本的無線傳感器網絡技術，適用于家庭、樓宇自動化、工業控制、醫療等領域的應用，是介于無線標簽、藍牙之間的一種技術解決方案，具有自己的無線標準，可以協調許多小型傳感器之間的信息傳輸。在未來，智能家居可用無線網絡通信技術來形成自己的網絡，所有智能家居設備均使用統一的通信協議連接到Internet，可以通過移動電話和計算機監控家庭中的各種設備，并真正實現家用電器的計算機化和聯網，可以實現功耗更低，尺寸更小，價格更低的控制模式，使普通家庭可以購買和使用。

1 系統結構

通過對現有的智能家居控制系統開展對比分析，根據其發展趨勢制定相關的設計原則和規范，基于iOS平臺設計智能家居系統，由無線傳感器網絡、智能網關、路由器和家用電器網絡組成，智能家居無線網絡系統框架如圖1所示。

本次智能家居控制系統設計分為兩部分：硬件設計和軟件設計。

硬件：WiFi模塊采用的芯片是RT8800，ZigBee通信模塊選用CC2530單片機，構建家庭內網，實現基于串行端口的數據交換[9]。智能家居的全部通信均由控制網關轉發。控制網關、手機等終端經由WiFi接入網絡，進行信息交互和遠程控制。

軟件：將iOS作為終端系統，提供多功能控制界面，軟件設計包括界面、通信等部分的設計，設計目標是提供最切合用戶需求的控制軟件系統，使用戶可以通過控制軟件控制家庭中的電氣設備。

在家庭內部，網絡基于ZigBee星型拓撲網絡構建，煙霧、濕度、溫度等各種傳感器，傳感器等節點基于ZigBee CC2350模塊運行[10]。在系統運行時，傳感器通過ZigBee模塊將提供收集的設備狀態信息發送到智能控制網關，經過相應的運算分析，并將分析結果反饋給移動終端，實時呈現家庭環境狀態信息，實現自動控制家用電器。

2 硬件設計

2.1 主處理器的選用

該系統主要作用是控制家用電器并提供報警功能，處理的數據量很小，考慮到成本，選取8051單片機作為主處理器，連接到主處理器的ZigBee芯片cc2430還集成了可以起到輔助處理作用的MCU。每個ZigBee節點都有一個MCU，因此主處理器可以調整和處理簡單的數據量信息功能，完全滿足設計需求。

2.2控制網關設計

控制網關是智能家居控制系統重要組成部分，是家庭內外網絡之間的通信橋梁，主要負責數據交換和協議轉換。設計時應該遵循低功耗、高可靠性、小尺寸、安全和易于系統升級的標準，圖2為控制網關硬件框架。

在家庭外部，WiFi經由RS232接口將家庭網絡接入本地無線LAN，以便遠程控制家庭終端設備。智能家居控制網關通過Internet與遠程服務器連接，移動終端通過移動網絡與家庭智能網關互聯以獲取有關家庭電器設備的實時狀態，遠程控制家庭電氣設備。

控制網關通過串行端口與ZigBee模塊連接，進行WIFI、ZigBee的信號轉換。WiFi模塊發送數據。 ZigBee無線模塊提供傳感器數據以及進行控制信號收發。

2.2.1 WiFi模塊設計

本文使用臺灣Ralink（Ralink）RT8800芯片提供WiFi信號。RT8800是基于802.11協議的高度集成的低成本SOC芯片，可輕松進行二次開發。RT8800共有兩個串行端口，DART Lite和DART Full。 RT8800的基本功能[11]：

1）高性能360MHz mips24kec CPU 核心處理器

2）USB 3.0主機/設備接口，5端口千兆交換機

3）傳輸速率可達15OMbps

4）兼容802.11 b/g標準

5）集成2.4GHz射頻單元、802.11n基帶處理器

2.2.2 ZigBee模塊設計

主要作用是為外網和家庭內網之間的交互提供通信接口。智能家居系統使用ZigBee來完成家庭聯網，選用的硬件是CC2530，為每個設備系統配置相應的無線節點，節點基于無線網絡相連[12]。ZigBee無線模塊節點包含主節點、從節點。ZigBee模塊可以實時收集節點信息，并將其發送到每個主節點，或者從系統接收控制命令完成終端設備操作。ZigBee協調器基于一個串行端口，用于在數據級別與主控制器進行交互。圖3顯示了ZigBee網絡結構圖。

ZigBee網絡結構包括設備地址識別模塊、無線收發器、模擬無線模塊、數據包過濾模塊。CC2530的獨特設計質量非常出色，可提供非常高質量的通信鏈路，出色的接收靈敏度和強大的抗干擾能力，CC2530能夠采集多種數據，如濕度、溫度等。

2.2.3串口模塊設計