基于ZigBee 无线通信技术的物联网智能家居系统设计

张力 武汉城市职业学院 计算机与电子信息工程学院

1 系统整体方案

本次设计的智能家居系统主要基于家庭用的局域网络，手机、平板电脑等上位机可以通过局域网与物联网关进行通信，实现对系统各节点电路的控制。智能家居系统中，还需要各类传感器，以便对房屋内的温度、湿度、光照等状态进行实时监测，还需要将照明系统、报警系统、家用电器等设备集成到系统中作为执行器。传感器检测到的各种信息数据可以通过ZigBee 终端传递给ZigBee 协调器，再通过物联网关发送到上位机软件中查看，也可以直接通过协调器，来控制执行设备。系统中，上位机也可以直接根据传感器采集的信息，对执行设备进行控制。

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee 无线通信模块

ZigBee 无线通信模块可以以TI 公司出品的CC2530 芯片为核心来进行设计，CC2530 是集合了增强型8051CPU 和ZigBee 通信模块的SOC 解决方案，可以实现低成本的建立ZigBee 网络。本系统中的ZigBee 网络中有两种设备类型：协调器（Coordinator）和终端设备（End-Device）。协调器是每个独立的Zigbee 网络中的核心设备，主要角色是负责建立和配置网络，负责选择一个信道和一个网络ID（也称PAN ID），启动整个ZigBee 网络。当Zigbee 网络建立完成后，其可以作为普通节点功能使用。终端设备是Zigbee 实现低功耗的核心，终端设备没有维持网络结构的职责，所以它并不是时刻都处在接收状态的，大部分情况下它都将处于低功耗休眠模式，可以由电池供电。传感器终端设备负责采集信息向协调器发送；协调器负责收集信息并对外广播；执行器终端设备依据条件判断，接收协调器的广播信息执行相应的操作。

2.2 温湿度采集

现在很多人越来越重视室内环境的舒适度，因此温湿度信息采集是智能家居系统中必不可少的一个环节。可以使用新型数字温湿度传感器SHT31，该型号的温湿度传感器具有高可靠性和高精度规格，并且结合了多种功能和各种接口（I2C、模拟电压输出），应用友好，工作电压范围宽（2.4 至5.5 V），适合各类应用。SHT31 可以通过I2C 接口直接与CC2530 芯片进行连接，构成温湿度采集电路。

2.3 空气质量采集

室内空气质量的检测，可以使用MQ135 气体传感器。该传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害气体的检测效果也很好。其内部使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当室内空气存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染空气的浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。输出信号再进过模数转换电路，转换为数字信号，可以很方便地由CC2530 进行处理。

2.4 光照强度采集

室内光照强度的采集，可以使用BH1750 芯片作为光照传感器。该传感器可以采集范围0-65535lx 的光照度，传感器内置16 位的AD 转换器，直接数字信号输出，省略复杂的计算，并且通过I2C 接口直接与CC2530 进行连接实现光照强度的数据采集。光照强度的信息可以由协调器发送给上位机，也可以直接设置，自动控制照明电路。

2.5 照明电路

目前，家庭照明系统都开始采用LED照明设备，功率更小，亮度更高。但是由于照明电路还是通过强电转换为弱点进行驱动，因此在照明电路的设计上，需要加上继电器电路，从而实现智能化控制。固态继电器既有放大驱动作用,又有隔离作用,很适合驱动大功率开关式执行机构，较之电磁继电器可靠性更高，且无触点、寿命长、速度快，对外界的干扰也小。

2.6 红外报警电路

智能家居系统中，防盗报警也是非常重要的一个部分，当家中没有人的时候，可以启动红外报警功能。系统中采用SR602 微型热释电人体红外传感器，可以检测最大5 米的范围，由于成本很低，可以在室内布置多个探测节点。该传感器与CC2530 的接口非常简单，待机时输出低电平信号，当范围内出现人的时候，就会触发输出高电平信号。CC2530 可以根据电平的信号，控制蜂鸣器或者语音播报系统进行报警。

3 系统软件设计

3.1 Z-Stark 协议栈

本系统中各节点之间的无线通信是由ZigBee 模块来实现的，而要想组成ZigBee 的网络，需要先建立ZigBee 的通信协议，本系统可以使用Z-Stark 协议栈。协议是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议栈是协议的具体实现形式，可以理解为代码、函数库，供上层应用调用，协议较底下的层与应用是相互独立的。使用Z-Stack 协议栈只需要关注应用逻辑，如何发送和接收数据，如何存储和处理；如何加入某个网络。所以当做具体应用时，系统的功能只需要调用无线数据发送函数、无线数据接收函数、睡眠函数、唤醒函数等来实现，不需要关心协议栈是怎么写的。

3.2 ZigBee 网络的组建

ZigBee 网络的组建需要对协调器和终端进行设置，协调器初始化后负责建立无线网络并等待终端加入。终端设备初始化后加入协调器建立的网络，实现通信的连通，即可将终端设备采集的数据信息传递给协调器，也可以将上位机的指令传递给终端设备。

协调器建立网络时，首先需要初始化Z-Stark 协议栈，然后再对信道进行扫描，并定义网络的PAN ID,最后启动网络并打开中断。网络启动后，会判断是否有新的节点加入网络，如果有新的节点加入，则分配网络地址和端点。当需要发送和接收数据时产生中断信号，系统根据中断信号来调用相关函数实现数据的接收和发送。

终端设备首先也需要进行初始化工作，主要是对网络功能和相关硬件进行初始化，需要寻找指定的ZigBee 网络，并申请加入，还需要对终端直接连接的传感器或者执行器功能进行初始化，比如温湿度传感器、光照传感器、继电器等等。终端设备加入网络后，即可建立数据传输通路，可以实现底层的硬件系统与协调器和上位机系统进行数据通信。

3.3 上位机软件设计

为了提高系统用户体验并且能够让用户简单便捷的对智能家居系统进行操作，还需要在手机或者平板等移动互联终端上设计相应的上位机软件，本系统使用的是Android 平台。由于系统中所有设备是通过物联网关联系起来的，物联网关有与之相配的SDK 包，将终端设备中采集的数据、设备ID 等信息封装打包并在局域网内广播。在Android 开发中，只需要调用SDK 的方法，就可以读取到对应的设备信息，设备变量数值等等。移动设备端需要与物联网关处于同一局域网内，即可通过TCP/IP 协议获取相应信息，再将数据包解析。

4 结论

本文基于ZigBee 无线通信技术对物联网智能家居系统进行了设计。首先对系统的总体方案进行了说明，在硬件方面对ZigBee 无线通信模块、温湿度采集、光照采集、空气质量采集、照明电路、报警电路等做了设计；在软件方面对ZigBee 协议栈、ZigBee 无线网络组间、上位机软件设计也做出了相应分析。通过本文设计的系统可以让室内各种传感器和执行器实现无线互联，并通过上位机方便快捷的进行操作和控制，从而有效的实现了局域网内的智能家居，提升了用户的生活质量。