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ZigBee技術(shù)支持下智能家居系統構建論文
0 引言
隨著(zhù)電子技術(shù)在現實(shí)生活中的廣泛應用，智能家居應運而生。智能家居是以住宅為平臺，利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)將與家庭生活有關(guān)的設備結合起來(lái)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控，它在保持了傳統居住功能的基礎上，提供了全方位的信息交換功能，優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境。
在智能家居中，通信網(wǎng)絡(luò )是整個(gè)系統的核心，采用無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式使得網(wǎng)絡(luò )通信更加靈活、成本更低，其逐漸成為智能家居的主流趨勢。Zig Bee 技術(shù)是基于 IEEE802.15.4標準的一種低功耗、低速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，具有強大的組網(wǎng)功能，在智能家居中運用廣泛。本系統設計的智能家居系統是通過(guò) Zig Bee 技術(shù)組建的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與嵌入式 WEB 服務(wù)器通信，用戶(hù)只需通過(guò)訪(fǎng)問(wèn) Web 瀏覽器，就可達到對家庭環(huán)境數據的監測和對家電設備的控制，非常方便與高效。
1 系統設計方案
系統主要包括 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和嵌入式 WEB 服務(wù)器，系統結構圖如圖 1 所示。
Zig Bee 無(wú) 線(xiàn) 網(wǎng) 絡(luò ) 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 協(xié) 議 棧Z-Stack,采用星型拓撲結構，包括協(xié)調器與終端節點(diǎn)[1].協(xié)調器負責組建家庭內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，接收終端節點(diǎn)發(fā)來(lái)的傳感器數據，通過(guò)串口將數據發(fā)送給嵌入式 WEB 服務(wù)器，并轉發(fā)服務(wù)器的控制命令給終端節點(diǎn)。終端節點(diǎn)采集環(huán)境數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給協(xié)調器，并接收協(xié)調器的控制命令并執行。終端節點(diǎn)連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用于測量家庭環(huán)境數據，連接繼電器模塊控制家用電器。
嵌入式 WEB 服務(wù)器設計是在 STM32 微控制器上移植TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)串口與 Zig Bee 協(xié)調器通信，通過(guò)以太網(wǎng)接口接入監控網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)使用電腦、手機等監控設備與終端設備交互。
2 系統硬件設計
2.1 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )硬件設計
Zig Bee 模塊采用 TI 公司的 CC2530 單片機。CC2530 單片機集成了 8051 增強型內核微控制器、RF 射頻收發(fā)器、片內可編程閃存、8KRAM、5 通道 DMA、8 路 12 位分辨率AD 等強大功能的一款射頻單片機[2].
2.1.1 終端節點(diǎn)設計
終端節點(diǎn)測量家庭環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度、紅外感應信號、光照強度等數據，并傳遞給協(xié)調器，接收協(xié)調器發(fā)回的命令來(lái)控制家用電器 .硬件結構圖如圖 2 所示。
終端節點(diǎn)連接的傳感器模塊有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器。
溫濕度傳感器采用 DHT11,它是 1 款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括 1 個(gè)電阻式感濕元件和 1 個(gè) NTC 測溫元件，并與 1 個(gè)高性能 8 位單片機相連接，具有響應快、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11 通過(guò)單總線(xiàn)直接與 CC2530 的 P1.1 引腳相連接。
煙霧傳感器采用 MQ-2,它的探測范圍廣、靈敏度高、響應快、穩定性強，可用于液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等氣體的泄漏監測。MQ-2 與 CC2530 的 P0.7 引腳相連接。
熱釋電傳感器采用 HC-SR501 人體紅外感應模塊，它能檢測人發(fā)射的紅外線(xiàn)，從而判斷家中是否有人。HC-SR501 與 CC2530 的 P0.5 引腳相連接。
光照傳感器采用光敏電阻，光敏電阻使用半導體材料制作，利用內光電效應工作，它在光線(xiàn)的作用下其阻值減小，在黑暗的環(huán)境里，它的電阻值增高。光敏電阻與 CC2530 的P0.1 引腳相連接。
控制模塊采用繼電器 SRD-05VDC-SL-C 來(lái)控制大功率的電器設備，繼電器與 CC2530 的 P1.5 引腳相連接。
2.1.2 協(xié)調器設計
Zig Bee 協(xié)調器負責調度各節點(diǎn)工作，其通過(guò)串口連接STM32單片機的USART2,在設置好相應的波特率等參數后，通過(guò) TXD 和 RXD 引腳與 STM32 通信，轉發(fā)傳感器數據與接收控制命令。協(xié)調器與 STM32 的通信接口電路如圖 3 所示。
2.2 嵌入式 WEB 服務(wù)器硬件設計
2.2.1 微控制器模塊
微控制器采用了STM32增強型單片機STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，其工作頻率可達到 72MHz,具 有 內 置 高 速 存 儲 器、128K 字 節 的 閃 存、20K 字 節 的SRAM、豐富的增強 I/O 端口和外設，2 個(gè) 12 位的 ADC、3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器、1 個(gè) PWM 定時(shí)器，還包含先進(jìn)的通信接口：2 個(gè) I2C 和 SPI、3 個(gè) USART、1 個(gè) USB 和 1 個(gè)CAN.
2.2.2 以太網(wǎng)接口模塊
以太網(wǎng)接口采用了 ENC28J60 芯片，ENC28J60 是帶SPI 接口的獨立以太網(wǎng)控制器，它集成了 MAC 和 10BASE-TPHY、接收器和沖突抑制電路，支持全雙工和半雙工模式，最高速度可達 10Mb/s 的 SPI 接口，內置 8 KB 發(fā)送 / 接收數據包雙端口 SRAM,可配置發(fā)送 / 接收緩沖器大小、用于快速數據傳送的內部 DMA、硬件支持 IP 校驗和計算等[3].
ENC28J60 與 STM32 通過(guò) SPI 接口連接，引腳連接圖如圖 4 所示。
3 系統軟件設計
3.1 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )軟件設計
Zig Bee 網(wǎng)絡(luò )在 OSI 參考模型的基礎上，結合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，采用分層的思想實(shí)現，各層從上到下分別是應用層、網(wǎng)絡(luò )層、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層、物理層[4].Zig Bee 網(wǎng)絡(luò )的組建主要由 Zig Bee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò )層來(lái)實(shí)現，Zig Bee 網(wǎng)絡(luò )層為新加入的節點(diǎn)分配地址、提供路由發(fā)現和路由維護等。協(xié)調器是 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的第一個(gè)節點(diǎn)，也是主節點(diǎn)，負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的建立及參數配置[5].協(xié)調器通電后首先進(jìn)行初始化，包括 CC2530 芯片初始化、協(xié)議棧初始化、串口初始化和硬件初始化等，然后調用 osal_start_system（） 函數進(jìn)入操作系統，調用 ZDO_Start Device（） 函數啟動(dòng)設備，建立網(wǎng)絡(luò )，并允許其它終端節點(diǎn)加入構成星型網(wǎng)絡(luò )，終端節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )后為其分配地址，然后接收終端節點(diǎn)發(fā)來(lái)的傳感器數據，并轉發(fā)服務(wù)器的命令。協(xié)調器程序流程圖如圖 5 所示。
終端節點(diǎn)上電完成初始化工作后，查找是否有可加入的 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如果有 Zig Bee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )就自動(dòng)加入，然后采集傳感器數據，發(fā)送數據到協(xié)調器，當接收到協(xié)調器發(fā)送的控制命令后，執行控制操作。終端節點(diǎn)程序流程圖如圖 6 所示。
3.2 嵌入式 WEB 服務(wù)器軟件設計
Web 服務(wù)器是在嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧的基礎上實(shí)現的一種應用程序。軟件設計分為 3 部分：以太網(wǎng)接口芯片驅動(dòng)程序的實(shí)現，嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧的實(shí)現，嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧對用戶(hù)數據進(jìn)行收發(fā)處理。
實(shí)現 ENC28J60 芯片驅動(dòng)程序主要是編寫(xiě)驅動(dòng)文件，函數模塊包括讀控制寄存器、向以太網(wǎng)控制器寫(xiě)入命令、讀取 buff 的數據、向 buff 寫(xiě)入數據、讀取控制寄存器的內容、寫(xiě)入數據到控制寄存器、向 PHY 寫(xiě)入控制參數、初始化以太網(wǎng)控制器、發(fā)送數據包函數、接收數據包函數。
實(shí)現 TCP/IP 協(xié)議棧是在微控制器上移植 Lw IP 協(xié)議棧。Lw IP 是一個(gè)小型開(kāi)源的 TCP/IP 協(xié)議棧，它體積小，占用內存小，適合在嵌入式系統中使用[6].移植要點(diǎn)是：復制 opt.h 文件到新建的 lwipopt.h 文件，并按照處理器資源與實(shí)際需求進(jìn)行修改；編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò )處理文件 netconfig.c 與對應的頭文件 netconfig.h,主要是初始化 lwip 協(xié)議棧、系統時(shí)鐘中斷處理等；修改 ethernetif.c 文件的相關(guān)函數：網(wǎng)卡初始化函數（low_level_init）、發(fā)送數據函數（low_level_output）、接收數據函數（low_level_input）、數據輸入處理函數（ethernetif_input）。
嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧對用戶(hù)數據進(jìn)行收發(fā)處理流程是：當用戶(hù)在瀏覽器中輸入 IP 地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn) WEB 服務(wù)器，Lw IP 協(xié)議棧首先對請求信息進(jìn)行解封裝處理后傳送到HTTP 任務(wù)模塊，HTTP 任務(wù)中的 CGI 程序對數據進(jìn)行處理后選擇對應的網(wǎng)頁(yè)數組文件應答，網(wǎng)頁(yè)數組中的內容是采用 HTML 語(yǔ)言編寫(xiě)的網(wǎng)頁(yè)文件，最后通過(guò) TCP/IP 協(xié)議將網(wǎng)頁(yè)文件發(fā)送到瀏覽器[7].嵌入式 WEB 服務(wù)器的工作原理如圖 7 所示。
4 結語(yǔ)
本文設計了基于 Zig Bee 技術(shù)的智能家居系統，系統采用 Zig Bee 技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、采集環(huán)境數據并遠程無(wú)線(xiàn)傳送，通過(guò)串口與嵌入式 WEB 服務(wù)器通信，用戶(hù)通過(guò)任何 1臺聯(lián)網(wǎng)的電腦和手機采用 WEB 瀏覽的方式就能訪(fǎng)問(wèn)終端環(huán)境數據，并能及時(shí)準確的發(fā)送控制命令，這種方式靈活、方便、成本低，具有廣闊的應用空間。
參考文獻：
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