基于ZigBee無線通信技術的智能家居應用研究

蘭劭暉

（聯通數字科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

智能家居系統的應用是以人為本家居設計理念的具體體現。智能家居控制系統對于數據傳輸能力的要求不高，具有低能耗和低使用成本優勢的ZigBee無線通信技術被廣泛應用于智能家居建設場景，有效解決了智能家居建設中覆蓋面積小和傳輸速率低的問題。

1 ZigBee無線通信技術概述

ZigBee無線通信技術是IEEE 802 15.4協議規定的技術代名詞，是一種低功耗、短距離以及低成本的無線通信技術。無線移動網絡基站能夠實現通信和交流，構建一個結構復雜的無線數據傳輸網絡平臺，每個平臺的最大擴展距離可以達到75 m。

2 基于ZigBee的智能家居總體設計方案

設計智能家居系統時，應保證在統一的標準下，針對各種類型信號選擇科學且合理的無線技術設計控制器[1]。本文提出一種基于ZigBee無線通信技術的智能家居系統設計方案，通過將功能控制模塊和通信模塊分開設計的方式，實現對各種家居設備接口的控制，利用放置在房間內的分節點和主節點共同組成ZigBee無線通信網絡。

3 硬件系統設計

基于ZigBee無線通信的智能家居硬件系統主要由傳感模塊、通信模塊、微處理器以及電源等部分構成，并利用CC2530實現功能集成。微處理器和無線通信模塊支持ZigBee通信協議和CC2530標準，采用單片機設計優化電路。傳感器由溫度采集感應器和濕度采集感應器構成，實現對房間內溫濕度的監控，并使用5 V電源供電。

3.1 CC2530

CC2530作為ZigBee無線通信技術的核心，功能強大，常用來開發功能較為復雜的網絡節點，具有運行穩定、開發成本低等諸多優點，還能實現程序的內部編寫，切換不同的運行模式，提高運行效率。CC2530系統由復位電路和振蕩電路等功能電路構成，其中振蕩電路能夠依據時間周期調整電流的大小和方向。

3.2 電源電路

系統中的電源管理指調節和分配電源電壓，為其他模塊提供正常工作所需的電壓。因此，提升電源管理模塊的性能對整個系統的運行穩定性具有十分重要的意義[2]。此次設計需設定電壓和電流等電路基本參數，優化電源的工作效率，實現抗干擾等功能。

3.3 傳感器

傳感器主要由數字溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和光敏傳感器構成。DHT11溫濕度傳感器負責采集室內的溫濕度數據，并輸出精準度較高的數字信號。該傳感器的核心模塊是一個電阻式感濕元件和負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）測溫元件，分別負責監測濕度和溫度[3]。它的外部結構能夠和單片機直接連接，提高系統對外部請求的響應速度。煙霧傳感器MQ-2主要負責采集室內煙霧信號，內部使用電導率非常低的二氧化錫作為氣敏材料。系統利用該材料電導率的變化檢測氣體濃度，向微處理器發送數據信號。光敏傳感器主要應用于室內的照明系統，實現對室內各燈具的控制。本設計中的照明管理系統主要由光傳感器、繼電器以及控制開關等硬件設施構成，其中光敏傳感器可以識別室內環境，并將光信號轉換為對應的電信號，控制燈具的開關。

3.4 無線通信收發器

無線通信收發器主要負責發送和接收信號。系統中的無線模塊由射頻（Radio Frequency，RF）內核控制，具有互聯網協議（Internet Protocol，IP）識別和數據包處理引擎，支持ZigBee RF4CE通信協議。無線通信收發器通過外部接口連接微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和設備，搭建信號數據傳輸的通道[4]。ZigBee無線通信技術采用的通信方式具有通信耗時短、能量消耗小以及使用成本低等優點。該雙向性無線短距離通信技術存在數據傳輸效率較低的問題，節點之間的通信距離最大為75 m，而ZigBee可以通過組網采取多跳的方式實現遠距離通信。

3.5 人機交互界面

該系統的人機交互界面嵌有較完整的簡體中文字庫，能夠清晰顯示文字，且可以輸出32行不同點陣的漢字和圖形，滿足基本使用需求[5]。人機交互系統中的液晶顯示模塊分辨率為128×128，功耗較低。系統各個引腳的相關說明如表1所示。

表1 人機交互系統液晶顯示屏引腳

4 系統軟件設計

基于ZigBee無線通信智能家居軟件系統主要由單片機軟件、上位機軟件、ZigBee無線通信模塊以及串口通信模塊等部分構成。

4.1 單片機軟件

系統設計中采用C52單片機，單片機程序編寫完成后，利用專業的仿真軟件調試，調試結果符合設定的目標后，將生成的HEX文件下載至單片機中通電運行，并在系統硬件中展開全面測試。單片機軟件設計包含DHT11傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及光敏傳感器等[6]。軟件設計時，首先搭建單片機軟件開發平臺編寫程序代碼，并將編寫完成的代碼轉換為可執行文件，其次將該執行文件下載至系統節點內部測試運行，最后調試軟件。單片機軟件設計流程如圖1所示。

4.2 ZigBee無線通信協議設計

ZigBee無線通信協議的終端節點軟件設計應能夠實現數據采集、數據信息顯示、數據信息傳輸以及和無線模塊之間的相互通信。通信協議為搭建無線通信提供相應的技術支持，為信號數據的解析提供支撐，是ZigBee無線通信的重要組成部分。ZigBee無線通信協議程序的設計流程如圖2所示。

圖2 ZigBee無線通信協議設計流程

4.3 串口軟件設計

采用C++實現串口之間的數據通信，應掌握串口的具體操作方法，使用Qt提供的應用程序接口（Application Program Interface，API）通信函數完成串口通信的設計，打開串口，獲取串口句柄后，配置串口參數。

串口軟件程序中部分源代碼設計為

5 結 論

隨著科學技術的不斷發展，以ZigBee無線通信技術為基礎的智能家居獲得了快速發展，很大程度上改變了人們的生活方式，提高了人們的生活品質。