基于Zigbee的智能家居控制系统的设计

王 超，高 峰，姜 洋(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318）

现代科技的发展驱使人们寻求更加简便更加快捷的生活方式。运用Zigbee技术和网络技术可将家中所有的可控部件集中在一个触屏控制板上进行控制，所用的Zigbee是一种高可靠性的无线数据传输网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站，支持无限扩展。同时，Zigbee具有低功耗、低成本、抗干扰、易组网的优点[1]。笔者基于具有Zigbee无线传输技术的CC2430和STM32芯片，通过触摸屏控制板实现对家里的安防报警、室内温度和照明灯具、家用电器的控制。因为系统由自己开发，具有可扩展性和个性化，控制方便，更加贴近用户需求等特点。

1 系统总体设计

1．1 系统结构

系统结构如图1所示。具有显示控制功能的中央控制板采用具有高性能、低功耗的特点，而且不用外加射频功放通信距离就可达到百米左右的STM32W108芯片(内置128Kb FLASH和8KB SRAM它同时支持人机交互，可与CC2430进行通信）[2]。

用于作为下级传输的Zigbee模块，采用TI公司的CC24430无线射频芯片，其具有显著的低成本、低消耗、网络节点多等的无线传输功能。可以将一个节点作为路由，由一个主节点管理若干子节点，同时可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网，实现组网，也有效地延长了Zigbee的传输距离。同时其具有高容量优点，可采用星状、片状和网状网络结构，通过对与STM32通信和传感数据采集传输的开发，形成对家中照明、安防、电器等进行远程控制。

采用SDIO WIFI模块芯片实现数据的远程传输，其具有的USB 2．0接口与STM32的连接非常简单，二者可以通过标准的USB接口直接相连。该模块用来实现家庭网关与Internet连接。通过WIFI可以在家中随时上网，同时也可以通过家庭网关实现远程控制。

控制板操作界面如图2所示，主要是由STM32驱动带有GUI源代码的触屏显器，在其系统上进行UI（User Interface用户界面）设计，使其界面简单易用。

图1 智能家居控制系统结构图

图2 触屏控制板的人机操作界面

1．2 组网结构

采用Zigbee无线通信技术将智能家电设备组成星形网络，如图3所示。Zigbee协议中包括3种节点，即网络协调器(FFD）、路由器、终端节点（RFD）[3]。

星形网络是一个辐射状的结构，网络命令和数据都通过协调器传输，终端设备之间通信也通过协调器转发，终端设备不是通信的起点就是通信的终点。

Zigbee扩展模块在家庭网关中作为网络协调器，可以是通信的起点或终点，负责各子传感器节点的通信管理、动态组网与数据传输。Zigbee终端节点包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及燃气泄露探测器等。

图3 Zigbee组网结构

2 家居环境的调节控制

家居环境调节控制包括照明系统的控制、窗帘的控制以及空调等家用电器的控制。照明系统包括灯的开关状态以及亮暗状态的控制。窗帘控制包括窗帘的合开以及合开的程度。空调等家电的控制包括电器的开关和其温度的设定[4]。

环境控制的传输机制类似于单片机多机通信，由协调器接受控制板的控制信息，转化为2．4GHz信号传输给路由节点或直接到达终端节点，先发送地址码(末位为 “1”），所有子网均接受，与自身编码作比较，若相等则允许接受下次信息，若不相等则不接受，再由协调器发送数据码(末位为 “0”），子网中相应的节点接收数据，完成握手，达到对子网的控制。子网种结点将接受的数据译码，实现其所指定的动作，例如，“0”为切断，“1”为开通。

2．1 照明系统

常用的调光方法有脉冲宽度调制(PWM）调光法、改变半桥逆变器供电电压调光法、脉冲调频调光法、脉冲调相调光法和可控硅相控调光法。可控相控调光法具有调光功率范围宽等优点，因而采用该方法，其电路图如图4所示。通过控制可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分以降低输出电压的平均值，达到控制灯具供电电压，从而实现调光。可控硅相控调光对照明系统的电压调节速度快，调光精度高，调光参数可以分时段实时调整。由于调光电路主要是电子元件组成，相对来说设备体积小、质量轻、成本低。

图4 照明系统控制电路图

控制回路由路由节点接受协调器的数据，分析确定完成握手后，输出相应的数据驱动双向可控硅，同时通过锁存器将数据存储，以便与下一次数据作比较，从而实现对灯光亮度的调节。

2．2 空调及其他电器

空调的开关状态控制是开关量控制，先通过地址码确定需要控制的器件地址，再由数据码控制开关的状态，若是智能空调或其他电器，可由多层级的开光量控制，确定地址码后，数据码依次为开光状态、温度上升／下降、需要设定的温度或者上升下降的温度等数据。空调的控制结构图与照明系统相类似。

2．3 窗帘

窗帘控制系统由通信模块和步进电机组成的执行模块组成，如图5所示。终端CC2430接受协调器的控制信号，确定自己是否被呼叫，然后接受所来数据，确定是步进电机的正转或反转，在接受数据信息的同时，与自身存储的数据作对比，确定需要的脉冲数，从而控制窗帘的开关程度。

图5 窗帘控制的电路图

3 安防系统

安防系统主要包括正常生活环境温湿度的检测、发生燃气泄漏、火灾、溢水等安全隐患的报告、有盗窃或其他非家中人员未经允许私自进入的报告和报警等安防行为。

3．1 温湿度检测

温湿度的检测主要采用智能传感器芯片SHT15，其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器，而且还有14位的A／D转换器和2线串行接口，能输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据，所以系统中不再使用传统设计需要的多路转换开关、A／D转换器及信号调理电路，温度检测电路如图6所示。将传感器所测得的模拟信号经A／D转换送回控制节点，产生中断，将信息发送给协调器，由控制板上的环境控制信号通知用户或通过网络告知用户家中的温湿度。

图6 温湿度检测电路图

3．2 火灾检测报警

火灾检测装置选用离子型烟雾检测报警芯片MC14468，离子室使用放射源镅241，强度约为0．8微居里，不会对人体造成伤害，也不会污染环境。当检测到烟雾时，离子室离子电流会随着检测现场的烟雾变化而产生微弱的电压变化，传到芯片检测端，由内部逻辑电路处理后，启动蜂鸣器发出报警声，同时连接的LED以1Hz的频率闪烁发光，从而达到报警效果。

火灾检测报警电路与温湿度传感电路相类似，只是把温湿度传感器换为烟雾检测器，另外增加嗡鸣器和闪灯的报警装置。

3．3 防盗报警

防盗检测的主要器件是热释电红外探测器和微波探测器，将上述探测器封装在一个壳体内，并将2个探测器的输出信号共同送到与门电路，只有当2种探测技术的传感器都探测到移动的人体时，才输出报警信号。防盗报警的电路结构与温湿度检测相类似，主要由红外线报警装置和微波探测装置共同启动，将信息及时报告用户。

4 WIFI通信模块

Wi-Fi是一种帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体的互联网技术，它为用户提供了无线的宽带互联网访问，具有无线电波的覆盖范围广(Wi-Fi的半径则可达100m左右）、传输速度非常快和无须布线等优点。由于WiFi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此WLAN无线设备提供了一个费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。该模块用来实现家庭网关与Internet连接。通过WIFI可以在家中随时上网，同时也可以通过家庭网关实现远程控制。

图7 Zigbee组网流程图

5 软件设计

软件平台采用一种开放源码的Linux操作系统，便于在其基础上完成各项相关应用程序的开发。

5．1 Zigbee组网软件设计

由CC2430芯片组网的软件流程图如图7所示。在智能家居内部ZigBee无线网络中，协调器首先进行初始化，然后选择一个称为PAN ID的标识号码，接着启动网络，所有的设备接入CSMA-CA机制的协调器。当协调器收到数据时，首先判断是新节点加入网络的请求还是设备节点的控制请求，如果是新节点加入网络的请求则分配网络地址并绑定节点，如果是控制请求则调用控制请求处理函数处理数据。数据处理完毕，协调器返回等待请求监听状态。

通过串口调试助手进行试验，进行协调器和路由器加网通信试验，如图8所示。当协调器检测到新节点时，节点成功加入网络，显示“Network Join succeeded！”，并显示自己的短地址(协调器随机分配）和父节点的长地址和网络地址，网络建立成功后可进行通信。

协调器和终端节点之间的加网通信试验如图9所示。该试验与协调器和路由器加网通信试验相类似，但是其节点直接接收到协调器的数据（2221h）并存放在PingCnt中，如图9中 “PingCnt：0x2221”。

图8 协调器和路由器组网试验调试结果

图9 协调器和终端节点组网试验调试结果

5．2 网关主程序设计

网关主程序的流程图如图10所示。硬件上电系统启动以后，应用程序初始化，网关开始监听网络，有数据到来网关进入中断状态[5]。首先判断是否为Zigbee数据，如果是Zigbee数据，则按照WSN协议处理数据并打包转发给Wi-Fi模块，网关返回监听状态。如果不是Zigbee数据，网关再判断是否为Wi-Fi数据，如果是Wi-Fi数据则以Wi-Fi协议处理数据再打包转发给Zigbee模块，并返回监听状态，如果是未知数据，则网关进行丢弃处理直接返回监听网络状态。

图10 网关流程图

6 结 语

通过利用Zigbee技术组网，构成可扩展的家庭网络，并采用可视化效果较好的触屏控制方式，系统由一个主控制器和多个无线网络节点组成，它们之间通过无线模块进行通信。根据客户需求，主控制器采用功能强大的ARM芯片和嵌入式系统，配合使用方便的触摸屏进行设计，无线网络节点则由廉价实用的51系列单片机实现。该系统使用方便，具有良好的可扩展性、安全可靠和便于维修等特点，因而应用前景广阔。

[1]吴却，廖力清 ．一种基于Zigbee的智能家居无线传感器网络的设计 [J]．桂林航天工业高等专科学校学报，2010，15（4）：439-441．

[2]钟雄林 ．基于ARM9的无线智能家居控制系统 [J]．信息科技，2010（9）：231-232．

[3]高雨明 ．浅析Zigbee无线传输技术及其应用 [J]．信息与电脑，2010（8）：126-128．

[4]杨浩杰，韩秀玲 ．一种智能家居监控系统的设计 [J]．微型电脑应用，2011，27（2）：49-51．

[5]高静，王福豹，段渭军 ．面向智能家居的嵌入式传感网网关的研究与设计 [J]．现代电子技术，2011，34（4）：19-22．