淺談基于ZigBee 嵌入式智能家居控制系統的設計與實(shí)現論文

淺談基于ZigBee 嵌入式智能家居控制系統的設計與實(shí)現論文

　　隨著(zhù)信息科技的發(fā)展和經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對家居生活的安全性、高效性和智能性都提出了更高的要求。 智能家居是以家庭住宅為平臺，利用綜合布線(xiàn)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)等集成各種家用電器、安防設施，通過(guò)綜合管理和監控，為人們構建更加節能、舒適、便利且安全的生活環(huán)境。通過(guò)對藍牙、UWB、Wi—Fi、紅外及ZiBee 幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工作頻段、協(xié)議標準、通信距離、傳輸速率等方面的比較，再針對智能家居網(wǎng)絡(luò )數據傳輸量小，傳輸速度不高，要盡量縮短時(shí)延并保證較好的實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，發(fā)現ZigBee 技術(shù)最適合應用于智能家居無(wú)線(xiàn)通信，它是基于IEEE802。 15。 4 標準協(xié)議的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有易組網(wǎng)、低成本、低功耗、短時(shí)延、高安全等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居、智能社區、醫療監控、工業(yè)控制等領(lǐng)域都有很好的應用前景。當前最新ZigBee 規范是Zigbee2007 /PRO 協(xié)議標準，采用分層結構，自下而上分別為物理層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。 物理層主要負責信道能力檢測，OTA 數據包的傳輸和接收及RF 收發(fā)器的啟動(dòng)與關(guān)閉，MAC 層在兩個(gè)對等MAC 實(shí)體間提供可靠鏈路，網(wǎng)絡(luò )層負責建立和維護網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，應用層定義ZigBee 設備類(lèi)型和綁定服務(wù)。

　　1 系統總體設計

　　智能控制系統的設計可以通過(guò)ZigBee 技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )WSN（ Wireless Sensor Network） ，將環(huán)境中相關(guān)ZigBee 模塊加入到網(wǎng)絡(luò )中，利用各個(gè)傳感器對家庭各類(lèi)探測器、傳感器、報警按鈕等設備的狀態(tài)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如煙霧傳感器用于室內環(huán)境煙霧檢測，溫濕度傳感器用于探測空氣溫度和濕度，水浸傳感器用于探測積水，紅外人體感應器和門(mén)磁用于防盜等，采集后的數據將通過(guò)2。 4 GHZ 無(wú)線(xiàn)以及Zstack協(xié)議棧傳遞給Cortex—A8 處理器，主要負責無(wú)線(xiàn)終端節點(diǎn)信息的管理、處理及控制各終端節點(diǎn)的運作，完成不同網(wǎng)絡(luò )間協(xié)議的轉換，將處理后的指令反饋給ZigBee 節點(diǎn)來(lái)控制繼電器，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)通斷或聲光報警。 手持設備和PC 機可以利用WIFI 網(wǎng)絡(luò )連接到以太網(wǎng)，達到遠程控制家電、智能安防或查看監控視頻的目的。

　　2 系統硬件設計

　　2。 1 主控制板硬件設計

　　考慮到本系統運行當前比較穩定的Android 4。 0 操作系統，所以在設計中主控制板選用了SAMSUNG公司S5PV210 開(kāi)發(fā)板，基于A(yíng)RM Cortex—A8 處理器內核，運行主頻為1 GHZ，配置了512MB DDR2 RAM 內存，MLC NAND Flash 容量為2 GB，內置PowerVR SGX540 高性能圖形引擎，支持流暢的2D/3D 圖形加速，外接1 個(gè)10 /100M 自適應以太網(wǎng)RJ45 接口（ 采用DM9000AEP） 用于網(wǎng)絡(luò )連接、1 個(gè)mini USB Slave 2。 0 接口、3 個(gè)RS232 串口、1 個(gè)RS485 總線(xiàn)接口、1 個(gè)CAN 總線(xiàn)接口、3 個(gè)USB Host 2。 0 接口、1 個(gè)標準8 G 容量SD 卡座等，此外，還集成了Bluetooth、RF433、WIFI、ZigBee、3 G、GPRS 等無(wú)線(xiàn)通信接口和音視頻接口。

　　2。 2 ZigBee 模塊設計

　　智能家居控制系統采用TI 公司最新推出的CC2530 芯片作為ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信主芯片，基于2。 4GHZ， IEEE 802。 15。 4 的RF 收發(fā)器、標準的增強型8051 CPU，可編程256 KB 閃存和一些其他強大功能，該芯片擁有豐富的外接端口，可運行在多種模式下滿(mǎn)足各種系統不同環(huán)境下低功耗要求，是一個(gè)真正的片上系統SoC 解決方案。

　　本系統設計的無(wú)線(xiàn)CC2530 節點(diǎn)核心電路如圖3 所示，ZigBee 網(wǎng)關(guān)模塊主要是完成終端節點(diǎn)或路由節點(diǎn)采集的信息，然后通過(guò)串口將接收到的信息實(shí)時(shí)傳輸給智能終端應用開(kāi)發(fā)系統。 ZigBee 其他節點(diǎn)模塊中則配置了水浸傳感器模塊防止廚衛設施造成漏水事故，溫濕度傳感器用于精確測量室內相對濕度與溫度，煙霧探測器用于監測室內環(huán)境煙霧，人體紅外探測器用于判斷是否有人進(jìn)出。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件設計部分包括ZigBee 協(xié)調器軟件設計、終端節點(diǎn)軟件設計和上位機Android平臺軟件設計三部分。 ZigBee 節點(diǎn)軟件開(kāi)發(fā)主要是通過(guò)ZigBee 協(xié)調器組建網(wǎng)絡(luò )，協(xié)調器與ARM 主控設備之間的信息交互以及被控節點(diǎn)與協(xié)調器之間的數據收發(fā)。

　　ZigBee 協(xié)議中包括三種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有：樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )、星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。 星狀網(wǎng)通信方式比較簡(jiǎn)單，終端節點(diǎn)都直接與協(xié)調器通信，樹(shù)狀網(wǎng)通信方式增加了路由功能而且支持數據的轉發(fā)，網(wǎng)狀網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò )自愈能力，節點(diǎn)間的通信有多條通道，可以減輕沖突，信息傳輸穩定性好、功耗低等。 綜合比較后，考慮到家庭網(wǎng)絡(luò )中設備數量有限以及成本費用等，決定選擇星狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構來(lái)組建智能家居的家庭子網(wǎng)。Z—Stack 協(xié)議棧是基于ZigBee 協(xié)議標準，由TI 公司推出的開(kāi)發(fā)IEEE802。 15。 4 /ZigBee 等技術(shù)的基礎平臺，其軟件目錄結構由OSAL 層、NWK、MT、MAC 層、HAL 層、App 層等組成，并通過(guò)API 接口函數來(lái)傳遞各層信息。

　　3。 1 ZigBee 協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計

　　ZigBee 協(xié)調器主要負責組建網(wǎng)絡(luò )、設定參數、管理信息等功能，是整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的核心。 系統上電后進(jìn)行Z—Stack 協(xié)議棧和硬件初始化，然后協(xié)調器開(kāi)始掃描信道能量，建立網(wǎng)絡(luò )并生成網(wǎng)絡(luò )PANID 并配置

　　網(wǎng)絡(luò )參數。 協(xié)調器偵聽(tīng)是否有子節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )，如有允許其加入并分配網(wǎng)絡(luò )地址等。 與此同時(shí)，需要判斷發(fā)送來(lái)的請求信息屬于控制命令還是查詢(xún)操作，針對不同情況分別控制相應傳感器動(dòng)作或發(fā)送數據采集指令。

　　3。 2 ZigBee 終端節點(diǎn)軟件設計

　　終端節點(diǎn)主要是根據需要上傳采集到的數據信息并接收用戶(hù)控制指令和查詢(xún)信息。 首先，模塊上電后初始化，進(jìn)行信道掃描并發(fā)送入網(wǎng)請求，如成功入網(wǎng)，會(huì )被分配相應的網(wǎng)絡(luò )地址。 隨后，終端節點(diǎn)開(kāi)始偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )信息，對接收到的網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行進(jìn)一步判斷，如接收到的是用戶(hù)控制指令，則調用傳感器執行控制操作，如接收到查詢(xún)信息，則將獲取到的傳感器節點(diǎn)數據通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給協(xié)調器節點(diǎn)，終端節點(diǎn)軟件設計。

　　3。 3 上位機Android 平臺軟件設計

　　Android 終端軟件主要包含三個(gè)布局頁(yè)面，有主頁(yè)面MainActivity、信息查詢(xún)頁(yè)面NewsFindActivity 以及網(wǎng)絡(luò )攝像頭控制頁(yè)面HomeVideoActivity，用戶(hù)可根據需要添加智能小車(chē)控制、燈光控制、溫濕度及電表查詢(xún)等功能，家居控制登錄界面，視頻控制界面。 首次登錄終端系統需要輸入監控IP、端口號、用戶(hù)名及密碼，系統當前狀態(tài)可根據家中是否有人設置為布防或撤防，布防狀態(tài)下將實(shí)時(shí)采集家庭各項參數，有警情及時(shí)報警并往用戶(hù)隨身攜帶移動(dòng)終端上傳送監控圖片，同時(shí)將情況反饋給小區物業(yè)。

　　用戶(hù)可以通過(guò)手機或Ipad 查詢(xún)電表、控制家電、物業(yè)咨詢(xún)等，小區物管也可將停水停電、續繳電費等信息通知到用戶(hù)終端。

　　4 系統調控與測試

　　本系統最后需要在手機或者PC 端登錄App 軟件查看是否能夠與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器正常連接，對室內傳感器節點(diǎn)信息進(jìn)行采集和查詢(xún)并控制各節點(diǎn)的工作狀態(tài)。 在調控過(guò)程中，我們還對傳感器與協(xié)調器之間網(wǎng)絡(luò )通信距離進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)的數據丟包測試，發(fā)現在室內外沒(méi)有障礙物情況下，采用ZigBee 技術(shù)傳輸距離可以達到10 米以上，數據基本沒(méi)有丟失現象，數據傳輸比較穩定可靠。

　　5 結語(yǔ)

　　本文依據人們對現代智能家居的實(shí)際需求，設計并實(shí)現了基于ZigBee 技術(shù)的嵌入式智能家居控制系統，本系統利用傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，通過(guò)ZigBee 協(xié)調器傳送給主控設備，從而實(shí)現家電控制、智能安防、實(shí)時(shí)監控等功能。 用戶(hù)可通過(guò)手機、便攜式設備隨機登錄到系統Cortex—A8 智能家居控制終端讀取或者控制設備數據。 經(jīng)測試，本系統已經(jīng)達到了預期設計目標，可智能化控制家庭信息，系統可穩定接收到各傳感器數據信號，具有功能強大，低功耗，操作簡(jiǎn)便，綠色環(huán)保等特點(diǎn)。