基于ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

張 雄 ,秦會斌 ,,候 鳴 ,李 琪 ,毛祥根

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.滁州市質(zhì)監(jiān)局 安徽 滁州 239000）

隨著無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，將無線通信技術(shù)應(yīng)用在智能家居控制領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢。目前智能家居控制系統(tǒng)主要采用的是有線通信方式。包括串口線、以太網(wǎng)、同軸電纜等。有線通信方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、傳輸可靠、速度快，但需要進(jìn)行大量的布線工作，可擴(kuò)展性差，成本也高。與其他短距離無線技術(shù)相比，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)以其低復(fù)雜度、低成本、低功耗等特點(diǎn)成為了組建智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的首選方案[1]。本文針對現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種基于ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。

1 ZigBee無線通信技術(shù)簡介

此在相同情況下，藍(lán)牙可工作1月左右，而WiFi工作時間僅有幾個小時，這是ZigBee的突出優(yōu)勢。

2)低成本：由于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的大幅簡化，降低了對通信處理器的要求，僅需要8位處理器，主節(jié)點(diǎn)需要32 kB的RAM，子功能節(jié)點(diǎn)的4 kB的ROM即可，在很大程度上降低了芯片的成本費(fèi)用。

3)短時延：的響應(yīng)速度非?？?，從休眠狀態(tài)喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)僅需15 ms，ZigBee各節(jié)點(diǎn)連接，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms。相比較,藍(lán)牙需要 3～10 s、WiFi需要 3 s。

4)數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。

5)網(wǎng)絡(luò)容量大:每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備。

ZigBee起初是由IEEE 802.15工作組提出的，并制定規(guī)范了IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee是基于此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一種近距離、低復(fù)雜度、雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中[2]。ZigBee技術(shù)有如下主要特點(diǎn)：

1)低功耗：ZigBee由于傳輸速率低，并且支持休眠模式，因此具有低碳節(jié)能的效果。經(jīng)測試，在低耗電休眠模式下，用2節(jié)5號干電池可支持1個功能節(jié)點(diǎn)工作最長達(dá)24個月，由

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括基于ARM處理器網(wǎng)關(guān)服務(wù)器設(shè)計、基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建、控制終端的設(shè)計，被控制終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架圖Fig.1 Structure diagram of the smart home control system

ARM處理器為智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，智能手機(jī)和LCD觸摸屏作為控制終端，智能手機(jī)通過Wifi接入ARM控制中心，智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)本地近程控制。ZigBee無線技術(shù)將被控終端組建成一個內(nèi)部無線局域網(wǎng)。基于ARM家庭內(nèi)部控制中心（家庭網(wǎng)關(guān)）接受來自遠(yuǎn)程（智能手機(jī)）和本地（LCD觸摸屏）的控制指令，協(xié)調(diào)處理這些控制指令，來控制底層的家用設(shè)備。底層構(gòu)建的基于ZigBee技術(shù)的無線局域網(wǎng)覆蓋燈光控制、窗簾控制、環(huán)境參數(shù)的采集、常用家電的控制。最終實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)、LCD觸摸屏通過系統(tǒng)控制中心能實(shí)時協(xié)調(diào)控制基于ZigBee技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的常用家庭設(shè)備和采集環(huán)境參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

本系統(tǒng)是采用ZigBee無線技術(shù)組建的內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)。ZigBee定義了兩種物理設(shè)備類型全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD (Reduced Function Device)[3]。FFD支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，能和任何設(shè)備通信。RFD通常只用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不能完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信。但它們的內(nèi)部電路比FFD少，因此實(shí)現(xiàn)相對簡單，也更節(jié)能。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種功能設(shè)備[4]：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Network Node)及 IEEE節(jié)點(diǎn)(IEEE Node)。前兩種都是FFD，可以與任何節(jié)點(diǎn)通信。IEEE節(jié)點(diǎn)是RFD。

ZigBee 有 3 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]：星型（Star）、簇樹型（Cluster）和網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH），具體采用哪種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況。由于家庭電器設(shè)備分布在不同的房間，屋內(nèi)墻壁等障礙物多，因此通信信號會受到干擾，在綜合成本、靈活性、可靠性等多因素的考慮，本次智能家居控制系統(tǒng)采用星型（Star）拓?fù)浞绞?，星型（Star）拓?fù)渚哂醒訒r時間短、操作簡單等其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有的優(yōu)點(diǎn)。星型（Star）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 星型（Star）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Star network topology

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)控制中心（ARM處理器）采用Samsung S3C2440處理器，采用外接DM9000以太網(wǎng)卡與USB WIFI模塊來接入以太網(wǎng)與WIFI網(wǎng)絡(luò)，通過串口控制ZigBee協(xié)調(diào)器，同時配置了觸摸屏支持本地觸摸界面操作。被控終端子節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊、MCU控制單元與被控終端（燈光、窗簾、家電）組成。

Atmega16單片機(jī)作為控制單元通過串口接受來自ZigBee子節(jié)點(diǎn)的控制指令并產(chǎn)生了相應(yīng)的控制指令控制被控終端。ZigBee模塊的微控制器是采用TI公司的CC2530，該芯片與控制單元通過串口通信。LED調(diào)光驅(qū)動芯片采用的是PT4115，它是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，通過DIM引腳輸入占空比可調(diào)的PWM，便能輸出大小可調(diào)的橫流LED驅(qū)動電流，最大輸出電流可達(dá)1 A，最大能夠驅(qū)動25～30 W的LED。窗簾控制是采用步進(jìn)電機(jī)，家電控制是采用紅外方式，溫度采集是采用ZigBee內(nèi)部集成的溫度傳感器。系統(tǒng)硬件框圖與被控子節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與被控子節(jié)點(diǎn)硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of the control system and the be controlled child node system

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 服務(wù)器的設(shè)計

基于ARM平臺的控制系統(tǒng)移植了Linux操作系統(tǒng)，因此服務(wù)器的設(shè)計是基于Linux平臺的服務(wù)器的設(shè)計。由于Linux內(nèi)核代碼開源、內(nèi)核可裁剪，因此Linux成為嵌入式平臺操作系統(tǒng)的首先。Linux是類Unix系統(tǒng)，它繼承了Unix強(qiáng)大的功能和極佳的穩(wěn)定性，并降低了對硬件環(huán)境的要求。由于Linux的設(shè)計者重新改寫了TCP/IP協(xié)議，因此Linux具有更為穩(wěn)定和靈活的網(wǎng)絡(luò)性能[6]。

服務(wù)器設(shè)計技術(shù)有很多，按使用的協(xié)議來分有TCP服務(wù)器和UDP服務(wù)器。按處理方式來分有迭代服務(wù)器和并發(fā)服務(wù)器。一個好的服務(wù)器，一般都是并發(fā)服務(wù)器[7]。本系統(tǒng)也是設(shè)計成并發(fā)服務(wù)器。在客戶端/服務(wù)器模式中，將請求服務(wù)的一方稱為客戶（client），將提供某種服務(wù)的一方稱為（server）。本系統(tǒng)就是采用的這種客戶、服務(wù)器（C/S）模式[8]。服務(wù)器接受來自客戶端的控制指令后通過串口寫相應(yīng)的指令Zigbee協(xié)調(diào)器。服務(wù)器是應(yīng)用select模型實(shí)現(xiàn)的TCP并發(fā)服務(wù)器，服務(wù)器軟件流程圖如圖4所示。

4.2 被控終端軟件的設(shè)計

被控終端主要由ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊、MCU控制單元與被控終端組成?？刂平K端發(fā)送控制指令，經(jīng)過服務(wù)器通過Zigbee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的Zigbee子節(jié)點(diǎn)。Zigbee子節(jié)點(diǎn)通過串口寫相應(yīng)的指令給Atmega16單片機(jī)，單片機(jī)分別實(shí)現(xiàn)特定的功能（控制燈光、家電、窗簾）?？刂平K端單片機(jī)的工作流程圖如圖5所示。

圖4 服務(wù)器軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the server software

圖5 單片機(jī)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the MCU software

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 基于ZigBee的組網(wǎng)測試

基于ZigBee協(xié)議成功組建了一個星型網(wǎng)絡(luò)，一個協(xié)調(diào)器，3個子節(jié)點(diǎn) （網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、IEEE節(jié)點(diǎn)）。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器之間通信。通過串口助手對協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行了測試。子節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)時網(wǎng)絡(luò)通信方式為廣播方式，協(xié)調(diào)器每隔100 ms發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器接受數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)通信方式為點(diǎn)播方式，節(jié)點(diǎn)每隔100 ms向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表1所示。

表1 ZigBee組網(wǎng)丟包率與誤碼率測試Tab.1 ZigBee networking packet loss rate and bit error rate testing

5.2 系統(tǒng)的聯(lián)合測試

啟動Mini2440系統(tǒng)板（系統(tǒng)控制中心）并運(yùn)行服務(wù)器程序和QT界面控制程序，啟動ZigBee協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)并連接與子節(jié)點(diǎn)相連接的被控終端，啟動客戶端程序。整個系統(tǒng)能穩(wěn)定協(xié)調(diào)運(yùn)行。服務(wù)器能準(zhǔn)確接收來自客戶端所發(fā)送的控制指令并寫相應(yīng)的指令到與Mini2440開發(fā)板串口相連接的ZigBee協(xié)調(diào)器。

服務(wù)器運(yùn)行情況如圖6所示。QT界面程序能實(shí)現(xiàn)對常用設(shè)備的本地控制，QT控制界面如圖7所示。主控制界面如圖7（a）所示，燈光控制界面如圖 7（b）、家電控制界面如圖 7（c）所示。

圖6 服務(wù)器接受客戶端的控制指令并寫串口Fig.6 Server accepts control commands from client and write serial

圖7 QT控制界面Fig.7 QT control interface

6 結(jié)論

本文基于ZigBee無線通信技術(shù)、以ARM處理器為控制中心提出了一種智能家居的整體架構(gòu)和解決方案。在ARM平臺上搭建一個并發(fā)服務(wù)器和一個QT界面程序。能協(xié)調(diào)接受來自智能手機(jī)和LCD觸摸屏發(fā)來的控制指令并且正確控制相應(yīng)的被控終端。達(dá)到了智能家居控制系統(tǒng)控制智能、方便、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)際測試系統(tǒng)比較穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，達(dá)到了設(shè)計要求。由于篇幅有限相關(guān)基于安卓平臺的客戶端程序的開發(fā)、組網(wǎng)設(shè)計、終端設(shè)計等技術(shù)細(xì)節(jié)就沒敘述。

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