ZigBee技术在智能家居系统中的应用

2017-05-16鲁玉军刘振

物联网技术 2017年4期

鲁玉军+刘振

摘要：为解决智能家居系统中内部通讯存在的功耗过高、节点较少、覆盖面积不足等问题，文中提出一种基于家居网络节点的智能家居内部通讯系统。该内部通讯系统采用STM32作为主控芯片，结合基于CC2530内部芯片的ZigBee无线控制节点和适合微型控制器开发研究的μC/OS-II操作系统，最终设计出一种具有低功耗、低速率、多节点、覆盖面广等集众多优点于一身的智能家居内部通讯系统。

关键词：ZigBee；CC2530；智能家居；STM32；μC/OS-II

中图分类号：TP368.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-04

0 引言

近几年，随着互联网技术的发展和现代社会节奏的加快，人们对于方便快捷高品质生活的需求越来越高，智能家居的出现很好的满足了人们的需求。作为曾经热门的科技话题，智能家居已经慢慢走进了人们的生活。目前智能家居的技术标准在欧美日韩以及新加坡已趋于规范。我国虽然智能家居起步较晚，但发展迅速，据中国产业调研网发布的《中国智能家居行业现状调研分析及发展趋势预测报告》（2015版）[1]可知，智能家居作为一个新兴行业以一种不可阻挡的态势迅速崛起，未来的潜力无可限量。

作为智能家居核心之一的无线通讯将是衡量智能家居产品性能的重要参考标准。智能家居的信息交互采用一种通讯方式已经不足以完成目前智能家居的目标任务。目前，家庭内部与外部的通讯较多采用WiFi或GPRS，且在这方面已有了比较成熟的技术和丰富的开发设计经验。而在家居内部的通讯方式上，由于其特殊性，因此要求会更加严格。在智能家居的设计过程中，其内部通讯更需要一种低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率、高安全性、近距离的无线网络技术，在众多通讯技术中，ZigBee通讯技术无疑最符合这一要求。基于此目的，本文提出一种以STM32为主控器，以ZigBee为通讯模式的智能家居内部通讯方案。

1 智能家居的整体设计方案

智能家居作为现代物联网技术的典型代表，是由控制技术、计算机技术、通讯技术等众多技术集合而成的一种高新产品[2]。整体而言，它主要由控制模块、通讯模块、移动终端和家电四个主要部分组成。智能家居整体框架如图1所示。通过WiFi移动终端的控制界面向控制器发送控制指令，控制器接到指令后会进行相应的分析解码，并通过ZigBee向对应的家电发送命令，对应家电的控制部分接受到相应命令后对家电进行操作。与此同时，联网的家电传感器会随时通过ZigBee把采集到的数据发送给控制器，控制器在分析解码后通过WiFi发送给移动终端，这样移动终端就可以时时掌握家居电器的状态。

2 智能家居内部通讯设计

智能家居内部的通讯方式是智能家居系统的重要组成部分。考虑到成本、安全性、距离、便捷性等因素，内部通讯方式可以排除有线通讯、WiFi通讯、GPRS通讯等，而比较合适的通讯方式有ZigBee和蓝牙两种。ZigBee和蓝牙的通讯特点比较见表1所列。考虑到智能家居内部通讯具有复杂程度低、能耗低、多节点等要求，因此选择ZigBee通讯方式。

2.1 整体设计

智能家居内部主要包括主控器部分、ZigBee部分和家电部分，其内部框架如图2所示。其中，主控器主要负责对ZigBee协调器通过串口传输的数据进行处理分析，并作出相应的控制指令，即智能家居的中转站和管理者；ZigBee主要负责数据的传输。ZigBee普通节点把接收到的数据通过无线传输给ZigBee协调器，而ZigBee则负责把数据通过串口传送给主控器，所以它是家电和控制器之间的桥梁。

2.2 硬件设计

智能家居内部包括主控器、ZigBee、液晶等部件，本着安全、实用和节约的原则，文中对这三部分硬件进行设计选材。

2.2.1 主控器

主控器作为智能家居的核心部分，将直接影响整个智能家居的性能。考虑到扩展性问题，主控器选择了一款功能更加强大的STM32F103 RCT6[3]芯片。该款芯片基于cortex-M3内核的ARM处理器，功能强大，拥有256 K Flash、48K SRAM，3个SPI、5个串口等，对于无线模块和主控器的串口连接非常有用。此外，该芯片还具有价格低廉、功耗低、市场应用广泛、数据处理速度快等优点。如图3所示为STM32部分原理图。

2.2.2 ZigBee

ZigBee模块主要分为节点和协调器两部分[4]，这两部分的硬件结构类似，但由于设计不同，因此让它们执行不同的任务。节点主要负责接收采集到的家電数据并无线传输给协调器，而协调器则负责把从节点接收的数据通过串口传输给控制器；同时协调器也会通过串口接受控制器发送的指令，然后通过无线传送给节点，节点再将接收到的指令进行处理后发送给家电控制模块以对家电进行相应操作。

文中选择了一款主芯片为CC2530[5]的ZigBee模块。主芯片CC2530具有一个IEEE 802.15.4[6]标准的无线收发器和RF核心控制模拟无线模块。此外，它为MCU和无线之间提供的接口使得发送命令、读取状态、自动操作和对无线事件进行排序等得以实现。无线部分还包括数据包过滤和地址识别模块。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。此外，ZigBee模块内部含有一个增强型8051CPU，具有8 Kb RAM，系统内部可以编程闪存。同时它具有32/64/128/256 Kb四种不同闪存的版本。本文采用闪存为256 K的ZigBee设备。图4所示为CC2530部分原理图。

2.2.3 液晶

虽然智能家居的发展趋势是移动终端化，但作为显示器的液晶同样不可或缺，它在整个智能家居系统中扮演着辅助应急的角色。本文选择TFT-LCD[7]液晶（薄膜晶体管液晶显示器）。该款液晶可以有效克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像质量。此外TFT- LCD具有多种不同屏幕大小和分辨率可供选择。出于成本和实用性方面的考虑，本文选择2.8寸的TFT-LCD，该液晶支持65 K色显示，显示分辨率为320×240，接口为16位的80并口，自带触摸屏。

2.3 软件设计

STM32单片机应用非常广泛，市场开发也比较成熟，有多种操作系统[8]适合该款单片机，而μC/OS-II[9]就是一种非常适合的操作系统。该操作系统不仅具有可移植、可固化、可裁剪等优点，且源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发。

ZigBee模块主要包括组网和数据发送与接收。图5所示为ZigBee无线网络协议层[10]的架构图，ZigBee协议分为两部分，一部分是由IEEE 802.15.4 定义的 PHY（物理层）和 MAC（介质访问层）技术规范；另一部分是由ZigBee联盟定义的NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。PHY层位于协议层的最底层，距离硬件最近，能直接控制无线收发器通信；MAC层为PHY层和NWK层提供接口；NWK层接口负责管理网络形成和路径选择；APS和APL层是ZigBee无线网络中的最高协议层并管理应用对象。由于协议较底下的层与应用相互独立，所以程序部分只需在应用层进行相应的调动即可。

IAR是目前市场上应用非常普遍的开发平台，无论是程序的写入或仿真都非常方便、快捷，所以选择IAR作为开发平台。此外，选择DEBUGGER作为烧录器，不仅可以烧录程序还可以仿真，大大方便了程序调试。图6到图8所示为CC2530调试的时序图。图9所示为ZigBee协调器组网流程图。

3 ZigBee实物图

ZigBee实物如图10所示。

4 结语

文中设计的硬件平台是以STM32为控制芯片，采用μC/OS-II操作系统作为软件平台，并结合ZigBee通讯模块的智能家居内部网络系统。该内部网络系统具有低功耗、低速率、多节点、覆盖面积广等优点，可以轻松完成智能家居内部部件之间的信息交互，使智能家居变得更加安全、便捷和舒适。

参考文献

[1]中国产业调研网.中国智能家居行业现状调研分析及发展趋势预测报告（2015版）[R].中国产业调研网，2015：1-2.

[2]谢永华，裴龙龙，吴彤.物联网在智能家居中的应用[J].仪表技术，2015，45（3）：46-49.

[3]周叶平，廖志雄，綦义洪，等.基于STM32 的桥式起重机安全监控系统设计[J].矿山机械，2016，44（6）：28-30.

[4]包启明，陈益民，苏保兰.基于ZigBee和3G的远程监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014，22（10）：3171-3173.

[5]黄新波，罗兵，刘存孝，等.采用ZigBee芯片的无线加速度传感器网絡节点的实现[J].高电压技术，2010，36（8）：1962-1969.

[6]居征宇，喻剑.面向无线体域网的低功耗多频道 Mac协议[J].小型微型计算机系统，2016，37（1）：78-82.