一种基于ZigBee的简易智能家居控制系统

王洋　许鹏

【摘 要】本文设计的简易智能家居控制系统以STC12C5A60S2为控制核心，以CC2530型ZigBee模块实现指令及数据的无线传输，分为控制终端和功能平台两个部分。用户从控制终端的上位机软件发送指定指令，经无线网络控制功能平台各节点的硬件，执行预定的各项操作。该系统适应性强、硬件结构简单，适用于各种室内外场所；其性价比高、功能多样，可实现多种智能家居控制功能。

【关键词】智能家居；STC12；ZigBee；无线控制

0 引言

随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能家居便是在这种形势下应运而生的。

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。

1 系统总体结构

智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。智能家居可以通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、环境监测、室内外遥控、防盗报警、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段，可提供全方位的信息交互功能，甚至可以节约能源和资金。

本系统实现了一个基于ZigBee的简易智能家居控制系统。具体而言，用户可以通过控制终端的上位机软件实现对功能平台各节点的硬件的无线控制，包括：

（1）通过上位机发送相应指令，无线控制温湿度传感器采集节点温湿度数据，并随即将数据送回给上位机，实现环境监测功能；

（2）通过上位机发送相应指令，无线控制继电器开关状态，以实现对大电压或大电流工作的电器的无线启动或关闭，即家电控制、照明控制等功能；

（3）通过上位机发送相应指令，无线控制步进电机进行高精度的各种形式的转动，从而实现房门的自动开关、电动窗帘控制等功能。

2 系统硬件设计

本简易智能家居控制系统以基于51内核的STC12C5A60S2微控制器为核心，在不同节点的ZigBee自动组网后，即可实现指令或数据的无线传输；使用AM2320温湿度传感器采集环境节点温湿度数据；使用Nokia5110液晶显示屏实时显示当前的环境温湿度数据；使用SRD-05VDC-SL-C继电器间接实现家电或照明等控制；使用24BYJ-48步进电机产生各种高精度的转动状态以实现房门或窗帘等的开合。简易智能家居控制系统的硬件整体设计如图1所示。

2.1 通用I/O口功能设计

（1）ZigBee模块接单片机的UART（P3^0和P3^1）；

（2）AM2320温湿度传感器接单片机的P1^0和P1^1口模拟的IIC总线；

（3）Nokia5110液晶显示屏接单片机的P2口；

（4）24BYJ-48步进电机接单片机的P0口的低四位；

（5）SRD-05VDC-SL-C继电器接单片机的P3^6口。

2.2 主要部件的选择

（1）ZigBee模块以TI 公司的CC2530为核心处理器，作为本系统的传输核心，模块型号为ZB502。采用第三方提供的协调器和路由器的固件，可非常方便地实现多个模块之间组网，从而实现控制终端和功能平台之间指令和数据的双向透明转发。

（2）STC12C5A60S2单片机是宏晶科技公司基于51内核的8位微控制器，存储方式为哈佛结构。该芯片是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）。工作频率0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz，片上集成1280字节 RAM，共4个16位定时器，通用全双工异步串行口（UART），有EEPROM功能和看门狗功能[2]。

（3）AM2320数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合型传感器，通信方式采用单总线、标准IIC两种通信方式。两种通信方式都采用直接输出经温度补偿后的湿度、温度及校验CRC等数字信息，可得到准确的温湿度信息[3]。

（4）Nokia5110液晶显示屏是84*48的点阵LCD，可显示4行汉字，8位接口控制，传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间[4]。

（5）24BYJ-48步进电机是一种高精度的电机，减速比为1/64，步距角则为5.625°/64 = 0.087890625°，可编程控制其实现各种高精度的转动状态[5]。

（6）SRD-05VDC-SL-C继电器相当于一个单刀双掷开关，通过单个引脚的高低电平控制即可实现开或关的功能。

3 系统软件设计

系统上电后，等待所有硬件（尤其是ZigBee模块需要一定的开机时间）都启动成功之后，用户便可通过上位机软件发送指定指令对系统进行无线控制。

3.1 系统软件运行流程

用户通过电脑发送的指令通过USB转串口线发送给ZigBee模块（协调器），再由此ZigBee模块（协调器）将指令无线转发至节点处的ZigBee模块（路由器），指令数据再由串口发送至单片机，单片机对指令做出分析判断，如果接收到的指令在上表所列的指令之内，则执行上表中所指的功能操作；否则不予响应。系统软件运行流程图如下图2。

2.2 无线通信指令定义

预先通过专用的配置软件或串口调试助手，使用AT指令将ZigBee模块的UART串口配置为串口0，波特率设置为38400 bps，无流控制；PANID局域网标志符和自身短地址使用系统默认随机分配的即可；配置CHANNEL通信信道和频率为11/2405MHz。

用户通过上位机发送的指令必须为规定的指令，否则系统对用户所发送的指令将不予响应。如表1所示，自定义的指令共5条，指定内容中“P2P”表示“点对点数据传输”[6]，“143E”表示“节点处ZigBee的短地址”，指令中的数字代表指令序号。

4 系统运行测试

将系统硬件组装完成后上电启动，当所有硬件模块正常工作时，部分硬件有工作指示灯长亮或闪烁。当控制终端的ZigBee模块由LED1和LED2交替闪烁的状态变为LED3长亮时，则说明新建网络成功；当功能平台的ZigBee模块由LED1和LED2交替闪烁的状态变为LED3长亮时，则说明此模块加入新建网络成功；当功能平台的Nokia5110液晶显示“Temperat：26.4C”和“Humidity：71.7%”时，则说明温湿度传感器和液晶显示屏工作正常。系统组装运行效果如图3所示。

用户通过上位机发送预先定义的指令，即可对系统进行相应的控制。例如，通过上位机软件发送读取温湿度数据的指令（P2P 143E 1），约1秒钟左右，在上位机软件的接收框内即可显示功能平台无线传送回来的温湿度数据，测试结果如图4所示。

由此可见，用户通过上位机软件发送相应指令，即可无线控制温湿度传感器获取节点处实时、精确的温湿度数据，实现环境监测功能；继电器间接控制电器的开关状态，实现家电控制、照明控制功能；步进电机可以任意转动形式高精度转动，实现房门的自动开关、电动窗帘控制等功能。

5 结束语

本系统较好地实现了智能家居的控制功能，具有较好的适应性和移植性等，但本身也存在一些如功能还不够完善等不足。后期对系统进行升级，可按用户需求增添节点处的各种硬件，以增加系统更加丰富的实际功能，且整套系统的结构简单、性价比极高，可很方便地对整套硬件的进行复制。因此本套系统虽仍有一定的进步空间，却也有着极大的发展前景。

【参考文献】

[1]娄亚楠. 中国智能家居应用前景与挑战[J]. 中国公共安全（综合版），2013.

[2]南通宏晶科技有限公司. STC12C5A60S2系列单片机器件手册[S].2015.

[3]广州奥松电子有限公司. 数字温湿度传感器AM2320产品手册[S].2014.

[4]Philips 半导体. 驱动芯片PCD8544中文数据手册[S].1999.

[5]佛山市胜安制冷配件有限公司[Z]. 24BYJ-48（5V），2011.

[6]深圳微雪电子有限公司. CC2530模块使用手册 V1.0，2014[S].

[责任编辑：曹明明]