基于ZigBee的智能家居体验中心系统组网方案

胡 军， 赵国军

(1. 浙江长征职业技术学院 实训中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工业大学 机械工程学院， 浙江 杭州 310023)



基于ZigBee的智能家居体验中心系统组网方案

胡 军1， 赵国军2

(1. 浙江长征职业技术学院 实训中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工业大学 机械工程学院， 浙江 杭州 310023)

根据智能家居的功能特点和发展趋势，结合物联网专业学生对智能家居获取感性认识的需要，提出基于ZigBee的智能家居体验中心系统(简称智能家居系统)网络组网方案。本方案将ARM技术和ZigBee无线网络技术相结合，以ARM11处理器S3C6410芯片为核心搭建系统网关控制平台，硬件采用“核心板十扩展板”层次模块化设计，软件开发嵌入式WINCE6.0操作系统；家庭内部局域网利用ZigBee技术实现，ZigBee网络节点设备采用TI公司CC2530芯片。本方案通过嵌入式开发技术，实现了对智能家居系统的集中管理和远程控制，体现了智能家居系统智能化、网络化的发展趋势，具有良好的通用性和可扩展性。借助于该系统物联网专业能够完成一系列的教学活动。

ZigBee； 智能家居； S3C6410； CC2530； ARM11

0 引 言

智能家居(Smart Home)借助于无线通信技术、嵌入式技术和传感器技术，通过系统网关控制平台将家庭中照明系统、环境检测系统、安防系统、家用电器等各种终端设备相互连接并接入Internet、WiFi或3G等外部网络，使用户能够采用便捷的智能化方式对各种家庭终端设备实现集中管理和远程控制[1-2]。随着计算机技术和通信技术的快速发展，电子器件类别多样化，硬件处理数据能力不断提高。智能家居产品将摆脱以往的发展模式和设计理念，以实用为核心，操控简单、人性化、网络化的嵌入式无线智能家居控制系统是未来智能家居的发展方向，集成化、节能环保、标准化、无线化将是智能家居行业的大势所趋[3]。

无线通信扮演越来越重要的角色，它可以摆脱物理连接上的限制，随时随地接入网络获取信息。同时低功耗、微型化满足人们对当前无线通信产品的基本要求。本文提出的智能家居网络组网方案采用ZigBee技术，该技术是一种短距离、低功耗、低速率、大容量及具有自组网方式无线网络技术，非常适合于用来组建智能家居系统家庭内部局域网，本文所有的家庭内部通信模块将以此作为基础来进行设计。

1 系统总体设计方案

为了满足物联网专业职业教育发展需要，本文设计一套成本不高，功能较完善，能够体现家庭智能、适用性强的智能家居系统解决方案，该系统能够强化学生对智能家居产品的安全、舒适、智能、高效的体验感受，加深学生对物联网的认识。通过智能家居系统能够完成一系列的教学活动：

(1) 认知教学。使学生明白物联网的概念及实体表现形式，所具备典型功能。

(2) 技能教学。以智能家居系统为主线，使学生学习掌握物联网相关技术体系更容易，如传感技术、无线网络技术、嵌入式技术。

(3) 应用教学。以智能家居系统作为平台，可以使学生完成一系列二次开发任务，如智能照明、智能遥控、环境监控。

在本设计中，智能家居系统采用ARM技术和ZigBee无线网络技术相结合方案实现，总体结构主要由家庭智能网关、家庭内部网络、外部通讯网络等组成。采用低功耗、低成本、低传输速率、大容量及具有自组网方式的ZigBee 无线技术作为智能家居系统的内部组网方式，ZigBee 无线传感网络节点分别采集温湿度数据、烟雾等环境信息和安防信息，并控制各个房间的照明、家电设备[4]，ZigBee网络节点设备采用TI公司CC2530芯片；以ARM11处理器S3C6410芯片为核心搭建系统网关控制平台，采用嵌入式WINCE6.0作为操作系统；家庭内部网络通过智能网关与internet、Wi-Fi或3G网络连接[5]。本系统实现的主要功能如下：

(1) 无线组网。ZigBee 网络具有低速率、低功耗、低成本的特点，符合普通大众对智能家居系统的要求，家庭内部节点设备之间互联构成局域网。

(2) 智能网关控制。设计一个智能网关使ZigBee无线网络接入Internet、WiFi或3G外部网络，用户可远程查看和控制家庭设备，实现远程监控[6-7]。

(3) 家用设备控制功能。每个家用设备都安装有传感器，作为传感网节点联入家庭内部ZigBee网络，用户可通过控制终端对网络中任何设备进行控制。

(4) 家庭安防功能。节点上传感器检测室内烟雾、温度等相关数据，如果超出安全标准，则发出报警警示，智能网关及时做出相应处理[8]。智能家居系统框架如图1所示。

图1 智能家居系统框架示意图

2 家庭内部网络组网方案分析

2.1 ZigBee 技术概述

ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术，工作于2.4GHz国际免费频段ISM[9]。ZigBee规范是以国际电子电机工程协会(IEEE)所制订的802.15.4标准为基础的，802.15.4标准定义了物理层(PHY Layer)及媒体介质访问层(MAC Layer)，在此基础上ZigBee Alliance定义了网络层(Network Layer)、安全层(Security Layer)、应用层(Application Layer)[10]。

在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端设备[11]。ZigBee网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成[12]。一个ZigBee网络只能有一个协调器，可以有多个路由器和终端设备。从网络结构上来看，常见ZigBee网络拓扑结构有星型、树型和网状型三种形式。

2.2 家庭内部网络组网方案的选择

相对于有线网络，无线组网方式灵活、易于扩展，移动性好，是目前智能家居系统家庭内部网络的必然选择。家庭局域网络比较合适选用的短距离无线通信技术必需具备：功耗低，可靠性和安全性高，扩展性好，不用申请无线信道等特点。可能应用于智能家居系统无线传感器网络的无线通信技术有无线保真技术(Wi-Fi技术)、红外技术(IrDA)、蓝牙技术(Bluetooth)以及ZigBee技术，它们的主要性能参数如表1所示。

表1 几项短距离无线通信技术的主要性能参数

ZigBee技术传输范围较大，最高速率可达到250 kb/s，功耗及价格也低。物理层采用了扩频技术，具有很高的可靠性和安全性[13]。另外，它还可与254个节点联网，扩展时最大可达65 535个节点，完全能够满足家居网络信息传送的基本要求。

3 智能家居系统硬件设计

本方案选用三星公司的ARM11系列S3C6410微处理器为核心器件搭建智能家居系统网关控制平台，家庭内部网络组网采用ZigBee无线网络。系统硬件电路设计中尽量使用典型的应用电路，且预留相应的扩展接口，为将来的扩展提供所需。本设计的硬件主要包括三个部分：智能网关设计、通信模块ZigBee技术的硬件实现及外围电路的设计。

3.1 家庭智能网关方案设计

家庭智能网关采用“核心板十扩展板”层次模块化设计方案，以降低硬件电路的调试难度，并提供尽可能多的外设接口，使系统更加具有通用性和灵活性。核心板主要包括微处理器、存储器等模块，实现嵌入式最小硬件系统；扩展板集成系统所需要的外围设备和接口电路[9]。核心板与扩展板通过插针接口连接，构成功能强大、资源丰富的嵌入式智能网关控制平台。智能网关控制平台的硬件结构如图2所示。

核心板主要由S3C6410微处理器、2×128M Mobile DDR RAM、256M NAND FLASH、电源模块、时钟电路、复位电路和JTAG接口等部分组成。DDR RAM用于支持系统软件程序运行并处理数据。NAND FLASH用于保存Boot Loader、操作系统内核映像文件和应用程序。时钟电路设计有四种不同类型的晶振电路，为微处理器系统和各种外设提供所需的时钟信号。复位电路实现微处理器的手动复位。

扩展板是整个智能家居系统功能实现的关键所在，根据基于S3C6410和CC2530的智能家居系统的需求，集成有各种外设和接口。扩展板主要包括电源模块、以太网接口模块、音频AC97电路模块、 Camera、UART、COM、USB、SD卡接口以及与S3C6410核心板的接口电路等。本方案中，为便利智能网关与家庭内部网络连接，扩展板加载了一个ZigBee模块，组网时作为ZigBee网络的协调器使用。

图2 智能网关控制平台的硬件结构图

3.2 智能家居系统ZigBee网络节点方案设计

智能家居控制系统中ZigBee网络节点需要具有2.4 GHz ISM频带RF收发功能，还需具备一定的运算和存储能力。故选用德州仪器TI公司生产的CC2530 F256作为节点ZigBee通讯模块，CC2530是TI公司设计的ZigBee单芯片解决方案，集 2.4 GHz RF收发器和 MCU 于一体，专用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee应用，方便了用户个性化的设计与开发[15]。CC2530F256片上集成高性能低功耗增强型8051内核，具有丰富的外围接口，包括256KB的FLASH和8KB的RAM，12 b的ADC、2路USART等外设和21个通用IO口，应用电路设计只需添加极少的外围元器件。

ZigBee无线传感网节点按照其在网络中的作用不同，分为传感器节点、路由节点和协调器节点三种类型，各类节点基本结构非常相近。因此，本方案在ZigBee无线传感网节点设计时采用一种通用的网络节点设计，节点在网络中的功能仅仅取决于CC2530芯片中烧写的不同程序。通用ZigBee无线传感网节点主要由CC2530、电源模块、显示模块、传感器模块、串口、JTAG等外围接口电路组成，典型的ZigBee无线网络节点硬件电路结构如图3所示。

4 智能家居系统软件方案设计

4.1 ARM11智能网关软件方案设计

本系统设计采用了 ARM11系列S3C6410处理器加嵌入式WINCE6.0操作系统的方案，软件的开发环境是Visual Studio 2005，WINCE智能设备应用程序使

图3 典型的ZigBee无线网络节点硬件电路结构图

用C++语言进行编写。鉴于智能家居系统是对功能、成本、功耗等性能指标有明确限定的专用计算机系统，本方案采用非常适用于软件硬件可裁剪的嵌入式开发技术，根据智能家居系统特定的应用对软件平台进行定制。

智能家居嵌入式系统软件平台的开发流程如下：首先需要针对目标硬件平台开发出相应的板级支持包(Board Support Package,BSP),为嵌入式操作系统提供硬件接口,并实现下载软件、引导程序等功能，然后根据功能需求定制系统内核,经过编译、调试后即可下载至硬件平台。最后根据系统内核生成相应的软件开发套件(Software Development Kit,SDK)进行特定应用目标的嵌入式应用程序软件开发。

操作系统开发工具使用Visual Studio 2005专业版中的插件Platform Builder, Platform Builder是Microsoft 公司提供专门用来定制 WINCE6.0 操作系统的强大工具,为嵌入式系统的开发提供了一个良好的开发环境,利用Platform Builder使得整个开发过程整合为一体。

在WINCE6.0 操作系统平台上开发智能家居监控中心实现对网络的实时监控家庭环境和远程控制功能。一方面需要实时接收、处理家庭内部ZigBee网络各个节点发送的数据并显示在显示屏上，并通过Internet、Wi-Fi传送到用户的计算机或PAD终端上，使用户能直观地得到监测点相关的环境参数；另一方面智能网关将处理后的数据与预先设定的报警值经过比较判断是否需要发送报警信号。

4.2 家庭内部ZigBee网络节点软件方案设计

ZigBee网络无线通信模块采用了 CC2530芯片，软件开发环境为 IAR Embedded Workbench，应用程序使用C语言进行编写；数据处理模块采用ARM7，软件开发环境为 KEIL uVision4。节点设计基于通用性及便于开发考虑，移植了TI 公司的 Z-Stack协议栈[16]。

协调器首先完成初始化，接着协调器根据DEFAULT_ CHANLIST 配置文件定义的某个频段建立一个网络。当节点是终端节点时，设备将会试图加入该网络，同时协调器把加入网络的节点网络地址存入地址表。网络建立成功后，ZigBee 协调器启动任务轮换查询，监听是否有网络终端数据接收处理、智能网关数据接收处理等任务。应用层通过调用AF Data Request() 函数将数据发送到智能网关。

终端节点首先完成初始化，主动查找协调器建立的网络并加入，将读取的传感器信息发送给网络协调器。环境参数采集节点开始定时采集家居环境数据，单播发送给协调器，当相应环境值超过设定值时，向协调器发送报警信息；设备控制类节点则等待协调器发送控制命令。协调器节点和终端节点的软件设计流程如图4所示。

图4 协调器节点和终端节点的软件设计流程图

5 结 语

本文提出的基于ZigBee无线传感网的智能家居网络组网方案，将ARM技术和ZigBee技术相结合，具有低成本、低功耗、通用性和扩展性强等优点。基于此方案设计的智能家居系统实现家庭中大量传统家电设备和信息终端的互连，方便集中控制和管理，实现对外部网络的接入，完成对智能家居系统进行实时的远程监控和管理。系统测试环境包括照明系统、环境检测系统、安防系统、智能家电等12个终端节点，测试过程中系统运行稳定，家庭内部ZigBee网络与互联网上的指定用户计算机和手机连接，用户可通过安装智能家居监控软件的计算机或手机查看传感器检测到的环境信息和各种家居设备的状态，并对系统中的家居设备进行远程操控。测试结果表明按照本方案所设计的智能家居系统具有一定的可行性和可靠性，所构建的家居环境能够满足学生对家居产品安全、舒适、便利的体验，满足物联网专业开展教学活动的需要，具有较高的参考价值和应用价值。

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Research of Network Scheme for Smart Home Experience Center System Based on ZigBee

HUJun1,ZHAOGuo-jun2

(1. Department of Training Center, Zhejiang Changzheng Vocational &Technical College, Hangzhou 310023, China; 2. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

According to the characteristics and developing trend of smart home, and combined with needs of students of the Internet of Things, the paper puts forward a network scheme smart home experience system (hereinafter referred to as smart home system) based on ZigBee by which the students can obtain perceptual knowledge of smart home. The scheme combines the ARM technology with ZigBee wireless network technology, ARM11 processor S3C6410 chip is used as the core to form system gateway control platform. The scheme of " core board + expansion board" is used for hierarchical modular hardware design. The software is developed by embeding WINCE6.0 operating system. The family LAN is realized by using ZigBee technology, and the ZigBee network node equipment uses Texas Instruments Company CC2530 chips. This scheme with embedded development technology, realizes centralized management and remote control of smart home system, reflects the intelligence and network development trend for smart home system, and provides good versatility and expansibility. By means of this system, IOT specialty is able to complete a series of teaching activities.

ZigBee; smart home system; S3C6410; CC2530; ARM11

2015-04-05

浙江省教育科学规划办课题(2014SCG062)

胡 军(1966-)，男，浙江杭州人，硕士，讲师/工程师，主要从事无线通信技术和计算机网络技术等方面的研究工作。

Tel.:13305818706; E-mail:hj6606a@163.com

TP 393

A

1006-7167(2016)05-0130-04