基于ZigBee的智能家居系统设计

张媛一，张景全，王春来

（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000）

基于ZigBee的智能家居系统设计

张媛一，张景全，王春来

（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000）

随着无线通信技术和物联网技术的发展，物联网主要应用领域的智能家居将获得更加广阔的应用空间。课题首先分析对比其他无线通信技术，并在此基础上设计了智能家居系统方案，建立了星形网络拓扑结构。其次，对网络设备进行了相应的硬件电路设计和软件设计，实现了节点参数采集、数据路由与传输等功能。最后，对室内多点的温度进行分布式采集，汇总至PC机显示，实验结果表明基于ZigBee技术的智能家居系统布线便捷灵活，系统扩展性强。

物联网；智能家居；ZigBee

智能家居，即Smart Home，又名智能家庭、家庭自动化、网络家居，它主要是结合自动控制、计算机网络和网络通讯的网络化智能化的家居控制系统[1]。它旨在将家居生活有关的各种设备有机的结合在一起，从而集中管理，使家居电器设备等由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具。通过全方位的信息高速交换，使家居生活更加的便捷、舒适、安全、有效、个性[2]。

1 课题概述

1.1 智能家居发展概况

智能家居系统是随着电子、通信、信息技术的发展而发展的，它表现出短时间、高速发展的状态。在发展得这30年来，国外以相对成熟的技术和经验，形成了在以美国为首的智能家居开发使用的领先地位。我国虽起步相对晚，但由于国情等情况的特色，使得智能家居具有广阔的发展空间。并且家居系统对现阶段人类对生活的需求表现出的匹配，也使得智能家居系统受到很多企业和居民的青睐。

1.2 ZigBee技术

在目前智能家居系统所使用的技术中，主要有总线技术，电力载波技术，无线技术[3]。由于总线技术重新布线麻烦而且成本较高，电力载波技术存在本身固有脉冲干扰，容易造成传输不稳定，使得无线技术适合用于组建智能家居系统的家庭内部局域网[4]。部分典型无线通信的对比如表1所示。

表1 几种无线通信技术的比较

通过与其他比较典型的无线通信技术进行对比，ZigBee以近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的显著特点，很好得满足了智能家居系统的成本与功能要求，这也是本课题选择ZigBee技术的原因[5]。

ZigBee是一种双向无线组网通讯技术，它基于IEEE802.15.4标准的个域网协议，采用自组网通信方式[6]。它的原理主要是通过像蜜蜂八字舞一样的接力方式，由无线电波在整个通信网络中传递信息。

1.3 智能家居系统的主要功能和整体设计结构

（1）系统的主要功能。智能家居系统有很多功能，它能控制整个家居环境，从小的灯开关，到家用电器的控制，再到家庭环境、背景音乐的使用等，而且还能进行扩展和补充。本课题中主要针对两个方面：①家庭安防控制（人体红外感应、室温）；②家庭电器控制（照明、空调、窗帘）。

（2）整体结构设计。智能家居系统主要有三部分：远程终端、PC和家庭内部zigbee网络，其系统结构组成框图如图1所示。

图1 智能家居系统结构框图

在本课题系统的功能主要集中于家庭内部ZigBee网络，其网络设备利用星形拓扑结构，连接家庭各种家庭设备和家庭电器，对家庭内部的安防和电器智能控制有很大的作用。通过连接由PC进行信号进行显示和控制，远程终端即是在远端对家庭内部的环境进行查询管理。在本课题中主要是集中于家庭内部ZigBee网络，并通过PC对家庭环境进行检测和简单控制。

2 智能家居系统硬件设计

ZigBee无线网络设备分为全功能设备（FFD, Full Functional Device）和精简功能设备（RFD, Reduced Functional Device）[7]。此课题的ZigBee网络由协调器（FFD）、路由器（FFD）和终端设备（FFD/RFD）组成星型拓扑结构。本课题选择的ZigBee芯片CC2530，是2.4GHz的片上系统，很容易建立在基于IEEE802.15.4标准协议上。由于不同的网络节点的功能有些许差别，所以在设计中，虽然均以CC2530芯片为核心，但外接电路的设计有所不同。

2.1 网络协调器的设计

网络协调器由ZigBee芯片CC2530为核心，配以其他外围电路组成。外围电路主要由接口模块、显示和键盘电路组成，再通过串口与控制中心PC机相连接实现信息的交互。其结构组成框图如图2所示。

图2 协调器结构组成框图

协调器各部分模块的简单概述：①电源模块：CC2530正常工作需要3.3V，1.8V电压，此电源采用LM1117-3.3V串联稳压芯片进行稳压，通过开关来选择不同的电压值；②按键电路：按键分为上下左右、确认、取消按键，占用CC2530的三个I/O口：P0.4，P0.5，P0.6。而上下左右键采用内部AD采样实现按键功能,确认取消键采用普通IO实现按键功能；③OLED电路：图形点阵液晶显示，该模块提供了一个完善的驱动电路，提供了20个引脚作为和设备的连接接口，采用74HC595串并行转换电路，使模块的位并行数据通信，实现了较少IO线的扩展；④串口电路：RS232接口，采用负逻辑电平。UART采用TTL/CMOS逻辑电平来表示，再通过电平转换为RS232逻辑电平，即由0V转换为5～15V表示低电平0，高电平1由5V转换为－5～－15V，在本设计中选择SP3232EEA来完成电平转换。协调器的外围电路的电路汇总如图3所示。

图3 协调器的外围电路的电路汇总

2.2 终端设备的设计

ZigBee网络终端设备主要作用是：检测模块由温度、人体红外检测电路等对家庭内部的环境进行检测，通过ZigBee通信模块将信息向上传递，并通过用户的控制，从而通过控制模块对灯、窗帘、空调等家用电器进行控制。其硬件电路结构图如图4所示。

图4 硬件电路结构图

（1）人体红外检测电路。人体热释红外检测模块是检测在测试范围内是否有人活动。它是通过感应人体在传感器附近的活动——靠近或远离，然后在热释电效应的作用下，将人体红外热辐射的信号转化成电信号，通过电信号上下波动来判断。本模块由热释电传感器RE200B（采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射[8]）、传感器处理芯片BISS0001（传感器信号处理集成电路）和少量外接器件构成，检测结果为开关量。其电路图如图5所示。

（2）温度检测电路。数字温度传感器DS18B20实时采样环境温度数据，通过一条线与CC2530连接，经微处理器处理后通过无线射频信号发射出去，通过ZigBee网络协调器或路由器接收，进而传输给远程控制中心进行实时观察和处理控制。在此设计中，DS18B20与CC2530的P0.7相连接。

图5 人体红外检测电路

（3）电动窗帘控制电路。本系统中窗帘控制电路，旨在满足家庭光线或家庭主人的意愿，通过CC2530的两个I/O口P0.4和P0.5分别控制电机的正反转，从而对家庭内的窗帘的开启关闭进行控制。当P0.4为低电平、P0.5为高电平时，窗帘电路正转，反之则反转；当均为高电平时则停转，如图6所示。

图6 窗帘控制电路

3 系统软件设计

本系统选用的ZigBee芯片是TI/Chipcon公司的CC2530芯片，它提供免费的协议栈软件TI Z-Stack（Z-Stack-2.2.0-1.3.0）。该系统的软件开发平台为：IAR Embedded Workbench for MCS-51 Evaluation。

3.1 ZigBee网络协调器设计

网络协调器负责无线网络的组建、维护和管理，一方面对终端节点传感器收集的信息进行接收并根据状态进行报警或显示；另一方面发送命令从而反过来控制从节点的状态。在本设计中的协调器的具体建网过程如图7所示，协调器工作流程如图8所示。

3.2 ZigBee网络路由器设计

在本设计中的路由器主要作用是对终端设备采集的信息进行转发和状态报告。其入网过程与协调器建网不同，它们被配置为上电即自动搜索加入网络。其工作流程如图9所示。

图7 协调器建立网络流程图

图8 协调器工作流程

图9 路由器程序工作流程图

3.3 ZigBee网络终端节点设计

本设计中终端节点主要是分别完成检测和控制。控制类的灯、空调、电动窗帘的控制主要是接收协调器发过来的控制信息，从而进行开关量的控制。检测主要是对家居安防方面进行监视，旨在对家居内的环境进行监视以及尽早发现可能的危险。在此部分的人体红外检测以及温度检测，需要进行A/D转换后再传送给路由器或协调器，在本设计中主要是传送给协调器，从而分别输出一个开关量和显示温度数据。终端节点温度流程图如图10所示。

图10 终端节点流程图

4 实验结果与论证

通过在实验室对协调器、ZigBee终端节点及PC机搭建了实验平台来对本智能家居系统的功能进行论证。本实验平台中，有网络液晶扩展板、电池板、ZigBee无线高频模块（CC2530）、仿真器、PC机以及各种连线如USB连接线、RS232连接线等组成。网络液晶扩展板集成了电源开关、复位等常用键以及按键、OLED显示等模块，将CC2530插到模块接口，待烧写后充当网络协调器。在电池板上同样安插CC2530并烧写后用作终端节点使用。测试平台组成如图11所示。

图11 温度采集实验平台

ZigBee温度采集：对室内多个地点的温度进行分布式采集测量。通过该温度采集显示平台来测试和验证智能家居系统的部分功能。具体是：ZigBee终端节点采集室内某处的温度，在通过ZigBee无线通信将采集的数据传入至PC机，由串口调试助手来汇总显示。串口调试助手显示界面如图12所示。

图12 串口调试助手显示

[1]韩江洪.智能家居系统与技术[M].合肥:合肥工业大学出版社, 2005.

[2]裘超,孟宪超,常帅.基于ZigBee的智能家居系统[J].电子设计工程,2011,19(22):14-17.

[3]花铁森.智能家居系统核心技术探讨[J].智能建筑电气技术, 2009,3(1):92-98.

[4] Edgar H,Callaway.Wireless Sensor Networks：Architectures and Protocols[M].New York：Auerbach Publications,2003∶260-300.

[5]杨利亚.基于ZigBee技术的无线传感器网络在智能家居系统中的应用[D].浙江工业大学,2010.

[6]高守玮.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[7]刘礼建,张广明.基于ZigBee无线技术的智能家居管理系统设计[J].计算机技术与发展,2011,21(12):250-253.

[8]赵鹏飞.基于热释电红外信息的人体身份识别研究[D].天津大学,2009.

The Programming Design for Smart Home Based on ZigBee

Zhang Yuanyi, Zhang Jingquan,Wang Chunlai
(Chengde electricity supply company,state grid JiBei electric power company limited,HeBei ChengDe 067000)

With the development of wireless communication technology and the internet of things , smart home which is the main application areas of internet of things will be widely used. After analyzing and comparing the other wireless communication technologies,the programming design of smart home is proposed and the star network topology is established.Secondly, the design of hardware and software of the network equipment are carried out, and the functions of node parameter acquisition, data routing and transmission are realized. Finally, the temperature of indoor multi-point distributed collection is gathered to the display of the PC. The programming design of smart home is convenient and fexible.

The internet of things;Smart home;ZigBee

TN915.5

A

2096-2789（2016）12-0012-05

张媛一（1991-），女，河北承德人，硕士，研究方向：调度自动化。