基于ZigBee的智能家居控制系统研究及设计

刘传忠 / 张卫东 / 聂 佳

1.上海交通大学自动化系， 上海 200240

2.上海电器科学研究院， 上海 200063

1 引言

在物联网的大潮下，智能家居得到了蓬勃发展。但由于智能家居是一个多行业交叉的系统工程，迄今还没有一个完全统一的标准，各设备厂商遵循各自不同的接口标准与协议生产设备，使得不同设备之间的互连、互通变得非常困难。ZigBee作为一种无线的通信技术，其低功耗、自组网、允许较大的网络规模、具有较高的可靠性和安全性等特点,特别适用于数据通信速率不高的家居自动化场合。目前，大量文献都对基于ZigBee的智能家居控制系统进行了阐述，如文献[1]介绍了通过ARM平台实现ZigBee网络与CDMA网络和Internet网络的互联；文献[2]实现室内ZigBee无线传感器网络到Internet的接入；文献[3]讨论了基于ZigBee的智能家居控制系统的结构；文献[4]探讨了ZigBee终端设备低功耗设计技术。大多文献基本上都围绕着各自系统的私有实现，没有论及不同厂商的智能家居设备间的互通、互连问题。

为了保证来自不同厂家设备的互操作性，针对智能家居系统，ZigBee联盟推出了《家庭自动化公共应用配置规约》(ZIGBEE HOME AUTOMATION PUBLIC APPLICATION PROFILE，下 文 简 称ZHA)。为了解决上文中提出的问题，本文围绕着基于ZHA的智能家居控制系统的设计及实现展开说明。

2 ZigBee技术研究

ZigBee标准由ZigBee联盟制定与维护，已经推出了多个版本[5]。最新的ZigBee标准称为ZigBee 2012，提供了完整的无线网状网(mesh networking)，在单一的网络中最多可支持64 000个设备。该规范规定了2套功能集： ZigBee和ZigBee Pro。ZigBee主要面向单一网络中只有数百个设备的功能集。ZigBee Pro则对ZigBee功能集进行了增强与优化，支持大规模的网络应用，具有更好的安全性，同时还支持通过Green Power功能将能量采集或自供电的设备接入到ZigBee Pro网络中[6]。

2.1 协议栈结构

ZigBee联盟在低速无线个人局域网标准IEEE 802.15.4的基础上建立了网络层(NWK)和应用层框架(Framework)，协议栈架构如图1所示[7]。相临层之间通过服务访问点(SAP)进行信息传递，高层使用底层所提供的服务。

从图1可以看出，应用层由制造商定义的应用对象所在的应用框架(Application Framework)，ZDO(包括ZDO管理域)和应用支持子层构成。设备生产商定义的应用对象使用框架和ZDO共享APS及安全服务。在ZigBee应用框架中，制造商最多可以定义240个应用对象来实现各自特定的功能。

2.2 ZHA配置规约

ZHA涵盖了民用或轻型商用环境中家居自动化应用(网络规模在500点以内)，包括照明、暖通空调、窗帘遮阳伞及安防等应用[9]。为了保证互操作性和良好的用户体验，ZHA规定了设备启动属性集，包括：启动参数、加入网络参数、安全参数、终端设备参数、链路状态参数、集中器参数、APS传输参数及绑定参数等。

ZHA使用ZigBee联盟制定的ZigBee簇库(ZCL)、功能簇(Cluster)是一系列相关的属性和命令的集合，通过客户端/服务器模型为设备间的通讯提供了接口。当ZCL属性发生改变时发送相应报告给指定节点，或者在规定时间内未发送属性报告则启动相应报告的发送，通过属性配置扩展域规定了ZHA设备哪些簇的哪些属性可以进行汇报。属性汇报机制解决了由于汇聚节点通过主动定时查询来保持设备状态一致而带来的通信效率低下的问题。

3 智能家居控制系统设计

3.1 系统架构

从技术架构的层面来讲，智能家居控制系统可以分为感知/执行层、通信层和应用层。感知执行层负责环境信息、用电信息的采集和对上层控制指令的执行。通信层是应用层和感知执行层之间信息传递的桥梁。应用层则负责对采集信息进行融合分析、对应用逻辑进行判断决策及提供人机交互界面等。

在基于ZigBee的智能家居控制系统设计中，采用了如图2所示的架构。

家庭控制中心(智能网关)是整个控制系统的中枢，通常作为网络的协调器负责网络的组建和管理；可提供人机界面，查看接入网络的设备，管理设备间的控制关系，将相关的设备组织成一个单元，以组的形式进行管理；可以对设备进行单一设置或联动设置，维护设备的状态；可以提供MODBUS TCP从站功能，供第三方中控系统通过以太网进行监控。

ZigBee产品终端可以作为网络中的路由节点，是传感信息的收集者或控制命令的终端执行者，如人体传感器、计量插座、开关灯控制器及窗帘控制器等。

ZigBee红外控制器，可以将网络中的ZigBee控制命令转化成对应的红外码序列，进而控制支持红外遥控器的家电设备。

ZigBee数字/模拟(I/O)模块可以将一些传统的继电器模块或模拟采集量信息融合到ZigBee网络中，为系统进行决策控制提供所需的原始信息。

3.2 硬件设计

ZigBee芯片选用32位基于Cortex-M3 ARM核的片上系统EM357，集成了2.4G与IEEE 802.15.4-2003兼容的无线收发器；使用192KB闪存和12KB RAM存储器；具有较高的抗干扰性，可以与其他2.4G网络共存；具有产生真随机数的AES-128加密引擎；硬件支持网络级调试；可以用作ZigBee协调器，路由器或终端设备；具有丰富的外设资源[10]。

硬件设计工作主要分为两大部分：家庭控制中心(HC)和终端设备的硬件设计，本文以讨论家庭控制中心(智能网关)为例进行讨论说明。

为了降低成本，充分利用Android平板电脑的丰富资源，家庭控制中心采用平板电脑外加ZigBee USB Dongle的方式实现。Prolific公司的PL2303HXD芯片是一款支持USB转串口的桥控制器，可在Android3.2以上的系统中以USB的形式而非Root权限来提供串口的功能[11]。

基 于ZigBee的USB Dongle硬 件 电 路，包 括ZigBee通讯模块EM357和USB转换模块PL2303，整个模块通过USB接口供电，原理框图如图3所示。

3.3 软件设计

Ember357使用了EmberZNet Pro协议栈，Ember提供的应用程序开发框架支持通过软件AppBuilder配置生成嵌入式C代码来实现ZigBee簇库应用程序[12]。通过回调函数机制，使用应用框架API函数来与属性进行交互、发送、接收及响应ZigBee网络的命令。典型的ZigBee终端设备流程图如图4所示。

为了在ZigBee模块和PAD之间进行有效、可靠的信息交互，定义了如下报文格式：

P1为报文头，表征新的一帧报文的开始；P2为序列号，用来避免对报文的重复解析；P3为报文长度，是去掉报文头和校验域后的有效长度；P4为命令字，用来区分报文的功能；P5为有效载荷，根据命令字的不同而具有不同的长度；P6为校验码，采用CRC-16来进行校验，保证数据的完整性与正确性。

3.4 系统实现

根据上述讨论，在实验室环境中搭建了一个基于ZHA的20个设备的演示测试系统。本系统由以下设备组成：基于Android4.0系统的平板电脑外加ZigBee USB Dongle作为整个控制系统的人机交互界面，6个开关灯控制器控制开关灯设备，6个窗帘控制器控制窗帘的上升/下降，6个调光灯控制器控制可调灯光的照度和1个人体传感器检测环境中是否有人存在。通过绑定操作，可以建立任意2个可匹配的终端设备之间的控制关系；通过使系统处于标识状态，可以很方便地加入组，进而对组进行情景配置。通过属性报告机制，可以将终端设备的状态及时反馈到人机界面上。

通过Insight Desktop软件和Insight Adapter报文捕捉设备，可以对ZigBee报文进行分析。由于篇幅所限，在此仅对在PAD上(节点标识号为0xCAA1)通过单击其中一个情景模式按钮后捕获的报文进行说明。将节点标识号为0xD5DF、0x8DF7、0x1064及0x239C等20个点的相应的终端设备加入到组1中,并用自行设计的配置软件设定好各设备的情景模式为1时对应的状态。图5为报文捕捉软件的截图，左上部显示的是当前通讯事务总览，第二行为对应触发情景模式操作的事务，左下部为对应该事务所伴随的多个通信事件，右上方为对应事件的解码内容，右下方为捕获到的16进制数据串。从图5可以看出，0xCAA1通过广播命令，使射频信号处于接收状态(RX_ON)并且加入了组1的设备执行情景模式号为1的动作。该命令对应的Profile标识为0x0104(ZigBee HA Profile对应的标识)。调用情景模式(Recall Scene)是一个ZCL命令(命令号0x05)，报文捕捉软件能够解析出该命令为“ZCL:RecallScene”，组标识号为0x0001,情景标识号为0x01。由以上分析可知，情景模式调用的实现是符合ZHA规范的，通过类似的分析方法对设计的系统进行了分析验证。

4 结束语

ZigBee无线智能家居控制系统省去了布线的烦恼、组网灵活，相比传统的有线系统具有明显的优势。本文探讨了ZigBee协议栈的架构和ZigBee家居自动化配置规约,提出了基于ZigBee的典型系统架构，给出了一种基于Ember357的智能家居控制系统的软硬件设计及实现。通过搭建一套20点的展示平台，借助ZigBee报文捕捉工具，证明了所开发的这套系统是符合ZHA规约的,为下一步的产品认证工作做了较好的准备。

根据ZHA配置规约设计的智能家居系统，能够使不同厂家的产品实现互通、互连，为终端用户提供更多的选择。相信在市场的驱动和ZigBee联盟的推动下，会有更多的厂商研发基于规范的智能家居产品，为终端用户提供舒适、便捷、安全和节能的智能家居新体验！

[1]吴文忠,李万磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系统[J].计算机工程与设计,2011,32(6):1987-1990.

[2]刘萍,胡杰.基于ZigBee 的智能家居室内通信系统[J].湖南农机,2011,38(9):40-41.

[3]姚建峰,郭旭展.基于Zigbee技术的智能家居系统[J].无线互联科技,2012(10):53-88.

[4]徐海峰.基于Zigbee智能家居的低功耗节点设计[J].绿色科技,2012(6):277-279.

[5]郎为民.ZigBee标准化进展[J].数据通信，2010(06)：12-16.

[6]ZigBee Alliance.ZigBee Specification Overview [EB/OL].http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/Overview.aspx.

[7]ZigBee Alliance.ZigBee Specification [EB/OL].http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/download.aspx.

[8]ZigBee Alliance.ZigBee Cluster Library Specification[EB/OL].http://www.zigbee.org/zigbee/en/spec_.download/spec_download.asp?AccessCode=1351395201.

[9]ZigBee Alliance.Home Automation Public Application Profile [EB/OL].https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/07/docs-07-5367-02-0afg-home-automation profile-for-public-download.pdf.

[10]Silicon Laboratories.EM351/EM357 Datasheet [EB/OL].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/EM35x.pdf.

[11]Prolific Technology.PL2303 Android USB Host Solution Application Note[EB/OL].http://www.prolific.com.tw/US/ShowProduct.aspx?p_id=230 ＆ pcid=41.

[12]Silicon Laboratories.Application Development Fundamentals For the Ember EM2xx and EM3xx Platforms[EB/OL].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/App-Dev-Fundamentals.pdf.