基于ZigBee的智能无线家居系统研发*

唐艺明

(漳州职业技术学院 福建漳州 363005)

近年来，短距离无线传输技术应用覆盖面越来越大，从工业自动化控制逐渐向家居方向发展[1]。相比于其他技术，ZigBee无线传输技术的成本及功耗偏低，并且支持多跳网络控制，组网结构较为简单，是开发智能家居控制系统的重要通信工具[2]。从理论层面来看，该通信工具适合开发个人无线区域网，用于家居组网控制。目前，关于ZigBee技术在无线家居系统中的应用研究尚不成熟，仍然存在较大提升空间[3]。

1基于ZigBee的智能无线家居系统结构

1.1系统网络拓扑结构

智能家居系统由多个ZigBee无线网络节点、1个协调器组成，以家庭为单位组建网络体系[4]。为了实现家居智能控制，需要保证无线信号的发射与接收，所以各个子节点上需要添加一个信息接收/发送装置，该系统选取ZigBee作为子节点连接工具，图1所示为系统网络拓扑结构。

图1 系统网络拓扑结构

由图1可见，利用协调器实现各个节点网络之间数据信息发送与接收协调控制，借助路由器建立各个节点之间的通信连接，从而形成系统网状结构，通过终端设备发送或者接收信号[5]。

1.2系统框架结构

该系统选取S3C2440单片机作为中央控制器，同时控制ZigBee协调器、GPRS模块、按键模块、供电模块、报警模块等多个功能模块，根据家居作业监测信息，调节各个功能模块作业状态。当家居系统作业发生异常时，系统自动开启报警功能模块。另外，考虑到用户查看家居信息的便利需求，该系统增加了短消息发送功能模块，借助GPRS模块将短信发送至用户手机，从而实现双通信渠道发送家居作业状态信息，为用户提供了便利条件，图2所示为系统框架结构。

图2 系统框架结构

图2中，该系统主要由S3C2440单片机、用户手机、GPRS模块、按键与显示模块、报警模块、无线传输模块、监测中心、以太网模块、电源模块、ZigBee协调器、小区服务模块、安全防卫模块、环境监测模块、家电联网模块组成。其中，ZigBee协调器控制是系统的核心部分，其电路如图3所示。

图3 系统硬件核心电路图

2系统硬件设计

2.1 ZigBee模块

该功能模块属于无线通信技术，支持短距离通信，可以将其理解为一种通信协议，即IEEE 802.15.4通信协议，完成低速率数据的发送[6]。家居系统控制设备不需要实时返回数据信息，部分家居处于睡眠状态，所以ZigBee模块满足家居系统开发要求，因其结构较为简单，所以成为了家居系统开发首选工具。该系统选取型号为CC2530设备作为系统ZigBee模块，该型号设备借助SoC片上系统加以操控，大大提高了功能模块性能，不仅收发器灵敏度较高，而且具有较强的抗干扰能力，将8051内核集中到一起，降低了电路复杂程度，为用户开发系统提供了便利条件。当装置接收到信号以后，首先经过低噪声放大器处理，将去除噪声后的信号采取变频处理，采取滤波、信号放大、A/D转换等一系列处理，经过解调和解扩，过滤出准确数据信息，以保证节点得以正常作业。

2.2系统供电模块

供电功能模块作为系统作业能源供应渠道，决定了系统是否可以正常作业，在设计该功能模块硬件结构时，除了考虑稳定性以外，还需要简化电路结构，考虑不同设备作业供电电压需求，采用电压/电流转换控制方式，从而为不同设备作业提供相应供电需求。该研究对于供电功能模块的设计，添加了稳压和滤波控制功能电路，在输入端设计5V直流电压。考虑到单片机外围设备中部分器件作业额定电压为3.3V，所以用DC-AC变换器，增加了3.3V供电电压，以此满足不同设备供电需求。

为了节省能源，实现智能化充放电控制，系统选取太阳能电池板、蓄电池作为电源模块开发工具，将收集到的太阳能转化为电能，存储到蓄电池中，根据系统作业需求为其提供电能。这种供电模块设计，降低了供电成本，操作更加便捷。

2.3以太网接口

为了实现智能家居远程控制，该系统利用以太网接口建立用户远程登录、资源供电、信息管理操作窗口，实现了智能家居高效管理。由于S3C2440芯片自身不具有此类接口，所以系统采用接口转换方法，建立系统以太网接口。通常情况下，在RJ45接头进行转换即可，为了提升信号强度、抗干扰能力，实现独立作业，该研究在以太网芯片与RJ45接头之间添加了H1102网络隔离变压器，各个器件之间设置双向通信。其中，以太网芯片选取的型号为DM9000，将与另外一端与S3C2440单片机连接，形成以太网接口体系结构。DM9000芯片是一种将多种功能集中到一起的综合控制芯片，属于MAC控制器，支持不同位数接口访问，采用全双工流量模式控制信息传输，降低了端口抑制程序开发难度。

2.4GPRS移动数据模块

为了实现短消息发送功能，即系统向用户手机发送短消息，需要借助短消息发送功能模块。目前，开发比较成熟的短消息发送功能模块为GPRS模块。该模块信息发送实时性比较强，运营费用偏低，可以根据用户开发需求，选择多种通信模式，实现信息发送，为用户通信带来便利。该研究选取型号为MC35i的双频GPRS作为短消息发送工具，配备SIM卡，通过下发AT指令，编辑不同文本形式的短消息发送至用户手机。其中，GPRS模块与单片机之间采用RS232串口加以连接。为了提高短消息发送准确性，可以通过观察芯片内寄存器作业状态加以判断，如果寄存器作业状态无异常，则认为当前发送消息准确，反之，认为当前消息定位错误，掺杂错误信息，必须立即维修。

3系统软件设计

3.1系统软件流程

该系统主要用于家电联网控制、家居环境检测、家居安全检测，在系统正常作业情况下，根据家居控制需求，选择相应服务功能，分别开启各项服务功能。如果系统当前处于异常状态，则采取双通道信息传输方式告知用户。其中一条通信渠道为装置自动报警，另外一条通信渠道为借助GPRS发送短消息。图3所示为系统控制软件程序流程。

图4 系统控制软件程序流程

该程序流程主要由三部分组成，分别为家电联网控制、家居环境检测和家居安全检测软件程序。

(1)家电联网控制软件程序。该程序主要用于控制家电设备的作业模式，根据用户需求，选择相应功能的电器设备，开启其作业状态/关闭设备，从而实现智能化设备作业状态的操控。该系统对于各个设备的操控，采用独立子程序开发方法，根据各个设备的作业控制方法，分别设置相应参数，使其可以按照用户选择的功能按键给予相应服务。目前，系统支持家电联网、微波炉控制、空调控制、电视控制、灯光控制及其他设备的作业状态控制。

(2)家居环境检测软件程序。该程序主要由于检测家居环境各项指标是否在正常范围内，如果超出了正常范围，则显示“家居环境不佳”，同时开启报警模式，并通过GPRS模块向用户发送短消息。反之，如果各项环境指标数据均达到了标准，则显示“家居环境良好”。目前，系统开发了烟雾、煤气、温度、湿度4项子程序。

(3)家居安全检测软件程序。该项程序用于家居的安全管理，检测指标包括各种家电作业状态和安防情况。这些检测结果将发送回监控中心，在计算机操作界面上显示具体故障设备。如果家中有任意一台设备发生异常，其他控制子程序运行正常，不会带来较大影响。假如安防系统发出报警，则证明家居环境危险系数较高，需要用户立即处理，此时其他子程序控制命令均默认“关闭”。

3.2 ZigBee协调器控制

系统中，ZigBee在各个节点之间起到信息传递作用，相当于系统作业命令传输的媒介，关乎着各个命令发送与接收的矛盾控制是否成功。所以，ZigBee在系统中发挥的协调作用不可以忽略，需要利用该装置采取命令解析，调用request_irq函数申请中断，完成协调器的读写操作。具体控制流程如下：

第一步：调用init_module()函数，完成变量初始化处理；

第二步：将协调器的信息注册到系统内核中，开启文件系统；

第三步：调用request_irq函数申请中断，清除未开启作业模式的子程序命令；

第四步：关闭ZigBee；

第五步：对ZigBee控制命令进行读写；

第六步：开启ZigBee。

4系统测试分析

按照系统硬件框架结构连接各个装置线路，开启系统作业模式，分别对各项系统功能进行测试。文章以报警与双通信功能、家居设备控制功能为例，对系统测试结果进行评价，测试结果如表1和表2所示。

表1 报警与双通信功能测试结果

表1中测试结果显示，系统检测结果准确，可以根据检测结果正确控制报警功能和短消息发送功能，符合系统开发功能需求。

表2 家居设备控制功能测试结果

表2中测试结果显示，下发控制命令与家居实际作业状态相符。因此，该系统可以满足智能化家居设备状态控制需求。

5结语

文章围绕智能无线家居系统开发展开研究，选取ZigBee作为短距离信息传输网络结构开发工具，构建系统拓扑结构和框架结构。选取S3C2440单片机作为系统中央控制器，在ZigBee协调器作用下，实现对家电设备作业状态控制、环境监测、安全防卫等多项功能。测试结果表明，该系统可以根据检测结果正确控制报警功能和短消息发送功能，下发控制命令与家居实际作业状态相符。