基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)

辛鈺博 尹航

摘要：為了實現(xiàn)對家居智能化控制，使用ARM Cortex-A8硬件平臺，以 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡技術為基礎，提出了一種智能家居模擬系統(tǒng)。該次提出的智能家居控制系統(tǒng)包括安全防盜系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)以及對可燃氣體泄漏的監(jiān)測和居室內(nèi)外溫度的檢測，通過短信把屋內(nèi)信息實時反饋給用戶，可以實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)家居隱患以及簡單的安防。此系統(tǒng)秉承了無線傳感器網(wǎng)絡低功耗、低成本、分布式和自組織的優(yōu)點，其靈活性和可靠性得到了提高，也方便用戶進行無線和遠程監(jiān)測控制。該系統(tǒng)能夠完成對家居的一般性智能控制。

關鍵詞：ARM Cortex-A8；ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡；智能家居系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）24-5785-03

如今，利用無線網(wǎng)絡構建智能家居網(wǎng)已經(jīng)成為勢不可擋的發(fā)展趨勢，其關鍵技術為兼容性強的家庭控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡[1]。該文設計了一個物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，以高性能的、低功耗的中央控制器為核心，結合多種物聯(lián)網(wǎng)無線組網(wǎng)及控制技術，對系統(tǒng)中的家居，家電單元進行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)實現(xiàn)了防盜的門禁控制、窗簾智能控制、監(jiān)測可燃氣體是否泄漏和居室內(nèi)外溫度變化的監(jiān)測等功能，并支持以短信方式與用戶進行交互，在智能家居領域中實現(xiàn)構建、監(jiān)控、安防、遙控等功能的原理和實施細節(jié)。

1 系統(tǒng)組成與硬件框架

1.1系統(tǒng)總體方案

總體方案如圖1所示，智能家居系統(tǒng)的控制中心，是支持整個系統(tǒng)工作的中心，支配著整個系統(tǒng)的運作。由它給協(xié)調器發(fā)送命令，并由協(xié)調器通過無線網(wǎng)絡傳給終端，協(xié)調器和終端之間是ZigBee網(wǎng)絡通信，ZigBee網(wǎng)絡遵循IEEE802.15.4規(guī)范，具有高效經(jīng)濟的特點，功耗和復雜度都非常低[2]。在智能家居中，許多電器都不是固定的，因此，采用無線組建的家庭網(wǎng)絡更加適應于智能家居系統(tǒng)[3]。終端收到由協(xié)調器傳來的信息后控制外部相應的傳感器等，他們時刻都在等待接收的信息，一旦接受了信息便馬上執(zhí)行相應操作。協(xié)調器是終端和控制中心的信息傳遞員，由它實現(xiàn)了在終端和控制中心之間的雙向無線通信。

1.2硬件框架

系統(tǒng)的硬件框架如圖2所示?？蚣軋D中勾勒出了系統(tǒng)大體硬件結構。全部系統(tǒng)網(wǎng)絡的邊界是由節(jié)點1、節(jié)點2以及節(jié)點3構成的，是以TI公司的CC2530開發(fā)板[4]為核心，外部連接了各種傳感器，人體紅外監(jiān)測模塊（采集安防數(shù)據(jù)），門禁模塊（讀卡器和數(shù)字電子控制鎖）和控制器件等。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4標準，其內(nèi)部集成了一個抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個標準增強型8051微處理器，擁有2個USART、12位的ADC和21個通用GPIO等較豐富的外設接口，并且支持4種供電模式，能夠友好地支持低功耗無線通信[5]。節(jié)點使用了溫濕度傳感器DHT11以及可燃氣體檢測傳感器MQ-2，；人體紅外監(jiān)測模塊用于檢測人體紅外線的釋放，獲得的數(shù)據(jù)用于安防系統(tǒng)；門禁的讀卡器用于讀取ID卡來識別身份；數(shù)字電子控制鎖是基于門禁讀卡器上的，需要鑒別用戶ID卡上的信息；器件直流減速電機用于窗簾智能控制。協(xié)調器負責控制中心和節(jié)點之間的信息傳遞，也是CC2530開發(fā)板，各個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)是通過無線傳輸?shù)玫降?，彼此之間的數(shù)據(jù)通訊遵循的是ZigBee協(xié)議?？刂浦行模ˋRM Cortex-A8） ，主要是綜合和控制信息，是整個系統(tǒng)的大腦。

2 軟件設計

2.1控制中心ARM Cortex-A8的軟件設計

系統(tǒng)開始并初始化，進入系統(tǒng)界面，協(xié)調器若傳來數(shù)據(jù)，則進行UART1的BUFFER[num]==‘a(chǎn)？的判斷，接收完數(shù)據(jù)后進行UART1的BUFFER[num]==‘b？的判斷，接收到數(shù)據(jù)后判斷ID卡號，若和已存的卡號相同則開鎖，若和火災警報號碼相同則立即觸發(fā)報警系統(tǒng)；后若有GSM數(shù)據(jù)發(fā)送，則接收數(shù)據(jù)，若為呼叫本機，則判斷是否接聽，通話后結束；進入主菜單后便可選擇語音通話、溫度查看、時間設置、門禁設置、火災設置、鬧鐘定制等功能，選擇不同的功能會完成相應的操作；時間若到達設置的早晚鬧鐘時間，則可進行開關窗簾的選擇操作，最終結束。

2.2協(xié)調器軟件設計

系統(tǒng)開始并初始化，建立網(wǎng)路，指示燈閃爍后若收到數(shù)據(jù)則接收，后結束。

2.3終端節(jié)點軟件設計

2.3.1 終端節(jié)點1（火災系統(tǒng)模塊）的軟件設計

系統(tǒng)開始并初始化，設置節(jié)點ID、無線通訊信道、無線通信短地址后切換到公共信道，設置發(fā)射功率并加入到網(wǎng)絡，MAC層進行通訊處理，定時采樣DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)以及MQ-2的返回狀態(tài)并定時發(fā)送溫濕度值，若MQ-2返回低電平，則定時發(fā)送溫濕度值，后結束。

2.3.2 終端節(jié)點2（門禁系統(tǒng)模塊）的軟件設計

前期工作同節(jié)點1，采樣數(shù)據(jù)后，定時發(fā)送溫濕度值，若室內(nèi)門禁開關按下且讀卡通過，則開鎖，后結束。

2.3.3 終端節(jié)點3（自動窗簾系統(tǒng)模塊）的軟件設計

前期工作同節(jié)點1，采樣數(shù)據(jù)后，定時發(fā)送溫濕度值，若收到開/關窗簾命令，則控制直流減速電機開關窗簾，后結束。

3 系統(tǒng)測試

ARM Cortex-A8測試：將編寫好的程序燒入主控制板，然后檢測每各個管腳的電壓，將其它的模塊與它相連來測試是否正常工作。

ZigBee節(jié)點測試：除了檢測各個管腳的電壓之外，將點對點的通信程序下載到CC2530開發(fā)板中，然后檢測它發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是否是否正常。

智能門禁系統(tǒng)測試：1） 門禁讀卡器：在給讀卡器供電后之后，將讀卡器的數(shù)據(jù)線接入同CC2530開發(fā)板的普通I/O口上，在刷卡之后，會將該卡的ID號序列通過UART將其顯示在PC機上。2） 門禁鎖：用直流電源給門禁鎖供電，然后用CC2530的I/O口上的高低電平通過控制電磁繼電器來選通門禁鎖的工作電流。3） 人體紅外：將在給人體紅外模塊供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，如果它檢測到人體輻射的紅外線時，示波器原來顯示的低電平會變成高電平。

自動窗簾系統(tǒng)測試：1） 溫濕度傳感器：在給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入CC2530的I/O口上，通過UART將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在PC機上。2） 人體紅外：將在給人體紅外模塊供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，如果它檢測到人體輻的紅外線時，示波器原來顯示的低電平會變成高電平。3） 直流減速電機：將直流減速電機兩端接在L298的輸出引腳上，用CC2530開發(fā)板的普通I/O口上的高低電平來控制L298的使能端，從而來控制電機的正反轉以達到窗簾的閉合。在給電機定時，當時間到了之后，電機就會自行轉動來閉合窗簾。

可燃氣體泄漏檢測：①溫濕度傳感器DHT11：在給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入CC2530開發(fā)板的普通I/O口上，通過串口調試工具將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在PC機上。②MQ-2傳感器：在給其供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，然后將打火機里面的液化氣釋放在該傳感器的周圍，當達到一定濃度后，示波器原來顯示的高電平會降低。

液晶屏測試：本系統(tǒng)使用的液晶屏是DM12864M，它能顯示32個漢字。將其與主控制芯片ARM Cortex-A8連接，字母可以讓液晶屏直接顯示，但是漢字和符號則需要控制其字形碼表才能正確的顯示。

4 結論

本次設計的基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)使用ARM Cortex-A8平臺，利用ZigBee節(jié)點作為基礎，進行無線通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳送。而且充分利用了ZigBee技術的低成本，低功耗，穩(wěn)定度高等優(yōu)點。該智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)無線通信，對家居設備的自動控制和家庭安全防范等方面。我們采用的設備都是以低成本，低功耗，穩(wěn)定性好等為前提的。本次設計的系統(tǒng)完成了智能門禁，自動窗簾和可燃氣體（火災）檢測，鬧鐘定制以及短信報警等功能。測試表明，該系統(tǒng)滿足一般家居的控制要求，可靠性高，成本低。

參考文獻：

[1] 侯俊，吳成東，袁中甲，等.基于ZigBee的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].機電工程，2009，26（1）：67-70.

[2] 紀金水.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術的系統(tǒng)設計[J].計算機工程與設計，2007，28（2）：404-408.

[3] 郭穩(wěn)濤，何怡剛智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2109-2112.

[4] 霍慶，黃興，黃浩揚，等.基于ZigBee技術的智能家居控制系統(tǒng)的設計[J].電子世界，2014（6）：107-109.

[5] 辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)[J].電子技術應用，2013，39（12）：79-82.