基于ZigBee技术的智能家居实训沙盘设计

刘振山

摘要：本文以智能家居为物联网技术的典型载体，采用ZigBee、蓝牙、App Inventor等相关技术，设计了集传感器应用、无线自组织网络、无线数据传输、移动应用开发等于一体的实训沙盘。给出了系统的总体构成，硬件模块，软件设计。智能家居实训沙盘是提升学生专业素养，进行物联网专业技术学习的有效载体，也是培养其创新精神和提高综合实践能力的良好平台。

Abstract： This paper takes smart home as the typical carrier of Internet of Things technology， and adopts ZigBee， Bluetooth， App Inventor and other related technologies to design a training sand table integrating sensor application， wireless self-organizing network， wireless data transmission and mobile application development. The overall structure of the system， hardware modules， and software design are given. The smart home training sand table is an effective carrier to enhance students' professional quality and carry out professional technology learning of the Internet of Things. It is also a good platform for cultivating their innovative spirit and improving their comprehensive practical ability.

关键词：ZigBee;蓝牙;智能家居;App Inventor

Key words： ZigBee;Bluetooth;smart home;App Inventor

中图分类号：TP212.6                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）30-0145-03

0  引言

随着物联网技术的发展，智能家居也逐渐走入千家万户。它能将住宅中各种通信设备、家电通过有线或无线的方式连接起来，并通过安置各类传感器采集环境信息，实现对设备的自动控制和管理以及对家庭环境的监测和控制，为住户提供安全舒适、高效便利的生活环境。并可通过网络进行集中或异地的监控、管理。

智能家居是物联网技术的典型载体，它融合了电子技术、自动化技术及通信、软件等相关技术。本文依此为背景，设计集传感器技术、ZigBee技术、蓝牙、App Inventor等于一体的实训沙盘，可加深对物联网相关知识的掌握，大大提高学习兴趣和实践能力。

1  系统整体设计

本实训沙盘由环境信息采集、数据无线传输、移动端应用三部分构成，如图1所示。环境信息采集采用ZigBee无线自组织网络技术，利用TI公司的CC2530F256芯片设计协调器以及节点板，搭建感知层网络，确保传感器以及受控件的数据和命令能够以最小成本传输。数据无线传输采用HC-05蓝牙模块进行数据交互，移动端应用采用App Inventor完成安卓端程序开发。

本系统拥有光照、温度和湿度传感器以及各个房间的灯、电视、排风设备、门磁等受控件。当系统采集到光照度数据并与设定数据进行比较发现光照度不合理时，会及时的将数据上传至手持终端，如果模式为全自动，则系统会根据设定数据自动对光照度进行调节，例如光照度不足时，系统会自动将房间的灯打开，为用户提供光照。如果为手动模式，则管理者可以根据自己的判断对家居照明进行控制。

2  硬件设计

2.1 传感器选择

在本系统中，传感器采用了光照度、温度湿度、可燃气体这三种传感器。通过这三个传感器，可以实现整个系统光照控制、温度控制和湿度控制。

2.1.1 光敏电阻

智能家居中通过对光照度的检测实现对照明设备的智能控制。光敏电阻是检测环境光照强度的常用传感器。光敏电阻器对可见光的敏感性与人眼对光的响应非常接近，因此适用于本系统设计。

常用的光敏电阻是由制成的，常见制作材料为硫化镉。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，光敏电阻在家居环境使用时通常加直流电压。

2.1.2 DHT11数字温湿度传感器

温湿度是家居环境的重要指标之一，对温湿度的采集选用DHT11数字温湿度传感器。该传感器内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品可靠性高、长期稳定性好、品质卓越。另外还具有抗干扰能力强、超快響应、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。DHT11为4针单排引脚封装，采用单线制串行接口，连接方便、体积小、功耗低，使系统集成变得简易快捷。

2.1.3 可燃气体传感器

半导体型气体传感器是利用半导体气敏器件同气体接触，造成半导体性质变化，来检测气体的成分或浓度的气体传感器。对于电阻式半导体型气体传感器，其阻值随敏感气体的浓度的变化而变化。在实际使用时，通常使用运放、比较器等信号调理电路，将阻值的变化转化为模拟电压输出，再经AD转换后进行后续处理。

2.2 ZigBee无线网络

ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，而IEEE 802.15.4是针对低速率无线个域网制定的无线通信标准，具有低能量消耗、低速率传输、低成本等特点。因此ZigBee技术适用于布线困难、数据量少、数据变化缓慢、功耗要求高的工作场合。一个ZigBee网络可以容纳多达65000个无线节点，每一个ZigBee节点之间可以相互通信，通信距离可达75m。

本设计中，ZigBee节点模块采用TI的CC2530作为核心。CC2530集成增强型8051MCU、和无线通信模块，支持ZigBee 2007/PRO协议，是一个真正的片上系统（SoC）解决方案。

在智能家居沙盘中，由一个协调器节点、若干个终端节点组成一个ZigBee无线网络。协调器节点连接各类传感器和执行器，其中传感器类节点负责环境信息采集和数据上传，执行器类节点负责接收和执行指令。协调器负责组建网络、无线节点数据的收发以及通过串口与蓝牙模块进行通信。

根据智能家居项目需求，采用ZigBee这种无线通信技术，适合低数据传输率、低成本、数据量少、低功耗、安全可靠性高的应用场景，做为该无线传感器网络的组网通信方式最為合适。

2.3 蓝牙模块

蓝牙最早是一种用于手机与其附件之间相互通信的无线模块，用于短距离无线通信，采用FHSS扩频方式，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块可以避免射频信号到中频信号的变换，使系统结构简单、实现简单。本设计中使用的HC-05是一个低功耗，高性能无线收发系统，低成本，应用领域广泛的蓝牙模块。可以通过串口连接单片机或ZigBee进行数据的通信，可在上位机上用AT指令对其参数进行配置。

3  软件设计

3.1 ZigBee程序设计

主要由协调器端程序和终端节点程序组成。协调器程序负责接收终端节点的传感器数据信息，并将信息通过串口发送至蓝牙透传模块，同时也通过蓝牙接收手机发送的控制命令，并将控制命令广播至各终端节点。而终端节点负责传感器信息的定时采集与发送，或者信息接收与控制命令的执行。

在程序部分，需要对ZigBee网络中数据传输的格式进行修改。

/*****************SENSOR端发送数据格式说明*****************

0xFF0xFD：为固定数据头（2byte）

Type：为发送数据类型（1byte）

len：为发送数据长度（1byte），数据长度不包含固定头、数据类型、校验位

DATA0-DATAn：为发送的数据（nbyte）

CheckSum：发送数据校验和（1byte），校验和为所有数据相加的低8位

***********************************************************/}

3.2 蓝牙模块设置

主要是通过AT指令集配置相关参数，如模块名称、配对密码、数据传输速率等。在本设计中，模块名称为HC-05，配对密码为1234，通信波特率为9600。命名如下：

AT + NAME = “HC-05”＼r＼n——设置模块设备名为：

“HC-05”

OK

at+name？＼r＼n+NAME：

Beijin

OK

AT + PSWD = 1234  ——设置配对密码

AT + UART = 9600，0，0  ——蓝牙通信串口波特率为9600，停止位1位，无校验位

3.3 App Inventor开发

由于简单易实现，安卓端的开发使用了当下流行的Appinventor2。Appinventor是由Google公司开发的一款在线开发的Android编程工具软件，通过图像化积木式的拖放组件来完成Apps开发。Appinventor在2012年1月移交给麻省理工学院MIT的行动学习中心，并由MIT发布使用，目前已经发布到第2版本。

以下为关键代码：

4  安装测试

ZigBee协调器和终端节点程序烧写完成后，连接好相应传感器。根据智能家居沙盘分区情况安装到相应的位置，如客厅、厨房、卧室等。系统加电后，可以在PC端查看传感器节点是否已经成功组网，若为成功组网，则需要查询PANID以及CHANNLID。只有在相同的PANID和CHANNLID下，整个网络会成功组建。经过调试后，所有的传感器已经成功加入网络。App编译打包后，安装在安卓手机上。用手机搜索蓝牙，并配对成功，在手机APP上查看房间的环境参数，操作家居系统中的控制设备，完成房间灯开关，电视机的开关，开启/关闭厨房的排风设备等操作。当勾选联动模式时，室内的照明装置会自动随光照值得变化而进行变化，并将光照数值及设备状态同步到手机端。

5  总结

本设计以智能家居应用为载体，采用ZigBee、蓝牙等无线通信技术进行数据采集和传输，采用App Inventor进行数据接收、显示和控制，构成一套完整的物联网教学及实训平台。包括了传感器技术、短距离无线组网技术、蓝牙应用、移动开发、电子技术应用、焊接与调试等物联网课程的知识技能点。并且可以根据需要进行传感器模块的增减、采用WiFi无线传输、更换移动端开发方式等。该实训沙盘对于提高学生实践技能、掌握物联网相关技术、开拓创新能力、科技普及展示等方面均可起到较好的作用。

参考文献：

[1]李明亮.例说 Zigbee[M].北京航天航空大学出版社.

[2]王向辉.可视化开发Angriod应用程序[M].清华大学出版社.

[3]陈重义.智能家居[M].上海交通大学出版社.

[4]刘修文.物联网智能家居平台DIY[M].中国电力出版社.

[5]李晓卉.教你搭建自己的智能家居系统[M].电子工业出版社.