基于ZigBee技術(shù)的遠程家電控制系統(tǒng)

張 雄，秦會斌，毛祥根，李 琪

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于ZigBee技術(shù)的遠程家電控制系統(tǒng)

張 雄，秦會斌，毛祥根，李 琪

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

為了實現(xiàn)對常用家電設(shè)備的統(tǒng)一管理和遠程操控，設(shè)計了一套基于ZigBee技術(shù)的遠程家電控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM11作為主控平臺，采用Android移動終端作為用戶的操控平臺，利用ZigBee技術(shù)將常用家電設(shè)備控制模塊組建成一個家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)。ARM主控平臺運行網(wǎng)關(guān)服務(wù)器程序，接收來自Android移動終端的訪問請求，通過ZigBee技術(shù)將該請求信息發(fā)送到家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對相應(yīng)家電設(shè)備的控制。經(jīng)測試，通過Android移動終端實現(xiàn)了對室內(nèi)空調(diào)等家電設(shè)備的遠程控制。

ZigBee技術(shù)；ARM11；無線網(wǎng)絡(luò)；遠程控制

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，人們家居生活中的各種家電設(shè)備也日益豐富。各種家電設(shè)備之間彼此獨立，控制方式各不相同，不便于用戶進行統(tǒng)一的管理和控制。單一家電服務(wù)慢慢不能滿足用戶的需求，實現(xiàn)對各種家電設(shè)備的統(tǒng)一管理和遠程操控是未來的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)遠程家電控制系統(tǒng)多以PC機作為控制終端，組網(wǎng)方式多采用有線方式，存在功耗大，需要布線、控制終端移動不方便等缺點［1］。

針對傳統(tǒng)實現(xiàn)方式的不足，本文設(shè)計的遠程家電控制系統(tǒng)以ARM11作為系統(tǒng)的控制中心，采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)無線化，通過Android移動終端接入系統(tǒng)來實現(xiàn)對常用家電設(shè)備的遠程操控［2］。Android移動終端方便小巧，可隨身攜帶，便于操作，能讓用戶獲得舒適、便捷、人性化的家居體驗。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

目前使用的常用家電如電視、空調(diào)都是采用紅外協(xié)議進行控制。不同家電的紅外控制協(xié)議不一致，因此設(shè)計了一個學(xué)習(xí)型紅外控制模塊。該模塊通過學(xué)習(xí)家電的紅外控制信號來完成對家電設(shè)備的控制。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)將室內(nèi)不同房間的紅外控制模塊組建成一個無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對家電設(shè)備的統(tǒng)一控制。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗的無線通信技術(shù)，具有組網(wǎng)方便、支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)多等優(yōu)勢。在工業(yè)控制、樓宇自動化和家電智能化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［3，4］。整個系統(tǒng)由控制終端、家庭網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點3部分組成。

控制終端是用戶對系統(tǒng)進行操控的平臺和界面。系統(tǒng)采用Android移動終端（智能手機、PDA）作為控制終端?？刂平K端通過WIFI接入家庭網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)遠程訪問和操控［5］。

家庭網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心，由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和ZigBee協(xié)調(diào)器共同組成，它們之間通過串口連接。服務(wù)器支持Inetrnet、WIFI等方式的接入，主要接收來自控制終端的訪問請求，將接收到的控制信息通過串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)接收到的控制信息，通過ZigBee協(xié)議發(fā)送控制指令給對應(yīng)的終端節(jié)點來實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制。

終端節(jié)點是具有ZigBee通信能力的紅外控制模塊，由ZigBee終端節(jié)點與紅外控制模塊組成。當(dāng)終端節(jié)點接收到來自家庭網(wǎng)關(guān)的控制指令后，由對應(yīng)的紅外控制模塊來完成對室內(nèi)家電設(shè)備的控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

由系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括家庭網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點的硬件設(shè)計。家庭網(wǎng)關(guān)由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和ZigBee協(xié)調(diào)器組成，終端節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點和紅外控制模塊組成。其中ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點在硬件設(shè)計上完全相同，只是軟件設(shè)計不同。下面分別介紹家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺的選擇與終端節(jié)點的硬件設(shè)計。

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)的硬件平臺的選擇

家庭網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的控制核心，能接收來自用戶的訪問請求，并將相應(yīng)的控制信息通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給對應(yīng)的終端節(jié)點。家庭網(wǎng)關(guān)選擇Samsung公司推出的S3C6410微處理器作為控制中心，外圍通過接口連接了ZigBee協(xié)調(diào)器、USB Wi-Fi等功能模塊。S3C6410是一款高性能、低功耗、低成本的32位精簡指令集（RISC）處理器。該處理器基于ARM1176內(nèi)核，最高工作頻率能達到667MHz，內(nèi)部采用32／64位總線結(jié)構(gòu)［6］。并且該處理器支持虛擬內(nèi)存機制，能很好地運行Linux、Android、Win-dows CE等嵌入式操作系統(tǒng)。

ZigBee協(xié)調(diào)器采用TI公司推出的CC2530作為主控芯片，外圍電路主要包括晶振電路與射頻收發(fā)電路。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，是一個應(yīng)用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案［7］。該芯片同時具有功耗低，能建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等優(yōu)勢。家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 家庭網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 終端節(jié)點的硬件設(shè)計

終端節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點和紅外控制模塊組成，2個模塊通過串口相連。ZigBee終端節(jié)點負責(zé)接收來自家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制指令，紅外控制模塊根據(jù)收到的控制指令完成相應(yīng)的功能。終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，ZigBee終端節(jié)點在硬件實現(xiàn)上與ZigBee協(xié)調(diào)器相同。紅外控制模塊選擇STC89C52作為主控芯片，電路主要由紅外接收電路、紅外發(fā)射電路以及一些外圍電路構(gòu)成。紅外接收電路負責(zé)接收紅外信號并解調(diào)，解調(diào)之后的脈沖序列由單片機來處理。紅外發(fā)射電路能將調(diào)制的脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的紅外控制信號來完成對家電設(shè)備的控制。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括網(wǎng)關(guān)服務(wù)器程序設(shè)計，家庭網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點之間基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)通信程序的設(shè)計和紅外控制模塊的程序設(shè)計。下面分別介紹相應(yīng)的軟件設(shè)計過程。

3.1 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器主要接收來自用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的控制請求，并通過串口發(fā)送相應(yīng)的控制信息給ZigBee協(xié)調(diào)器。服務(wù)器平臺移植了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。本系統(tǒng)服務(wù)器的設(shè)計是采用C／S（Client／Server）結(jié)構(gòu)即客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制終端作為客戶端，服務(wù)器為系統(tǒng)控制終端提供服務(wù)［8］。

服務(wù)器的設(shè)計是采用select（）函數(shù)實現(xiàn)的并發(fā)服務(wù)器。通過調(diào)用select（）函數(shù)和傳遞相關(guān)參數(shù)來通知內(nèi)核所關(guān)注的文件描述符和對應(yīng)的狀態(tài)（讀、寫、異常），以及等待多長時間就返回。從select（）函數(shù)返回后，內(nèi)核會返回已經(jīng)做好準(zhǔn)備的描述符的個數(shù)和哪些描述符已經(jīng)做好了相應(yīng)的準(zhǔn)備（讀、寫、異常）。有了這些信息，就可以調(diào)用合適的函數(shù)進行相應(yīng)的處理。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件流程圖

3.2 基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)通信程序設(shè)計

組網(wǎng)通信程序設(shè)計包括ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計和ZigBee終端節(jié)點的程序設(shè)計。它們的程序設(shè)計都是基于Z-Stack協(xié)議棧來設(shè)計開發(fā)的［9］。ZigBee協(xié)調(diào)器主要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，接收來自網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的控制信息并通過廣播方式發(fā)送對應(yīng)的控制信息給ZigBee終端節(jié)點。由ZigBee終端節(jié)點對廣播控制信息作出應(yīng)答，當(dāng)某個終端節(jié)點接受到控制信息后，通過串口發(fā)送相應(yīng)的控制指令紅外控制模塊，由該模塊完成對家電設(shè)備的控制［10］。ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端節(jié)點的軟件流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程圖

圖6 ZigBee終端節(jié)點軟件流程圖

3.3 紅外控制模塊軟件設(shè)計

紅外控制模塊根據(jù)接收的串口控制指令來執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)收到學(xué)習(xí)紅外指令時，紅外控制模塊檢測家電紅外信號的編碼脈沖的寬度，并存儲脈沖信號中高低電平的時間。當(dāng)收到發(fā)射紅外信號命令時，紅外控制模塊根據(jù)存儲的高低電平時間來還原該脈沖信號，并將該脈信號調(diào)制到38 kHz的載波信號上去來產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號實現(xiàn)對相應(yīng)家電設(shè)備的控制［11］。其軟件流程如圖7所示［12］，紅外控制模塊首先等待ZigBee終端節(jié)點通過串口發(fā)送過來的控制指令。當(dāng)該模塊接收到學(xué)習(xí)指令后，會調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)來學(xué)習(xí)紅外信號，并存儲該紅外信號的編碼到EEPROM。當(dāng)接收到控制指令后，會從EEPROM中讀取相應(yīng)的紅外編碼，并通過定時計數(shù)器產(chǎn)生對應(yīng)的編碼脈沖信號作用于紅外發(fā)射電路，實現(xiàn)對家電的控制。

圖7 紅外控制模塊軟件流程圖

4 系統(tǒng)的測試

采用S3C6410開發(fā)板作為測試平臺，用跳線將S3C6410開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口相連作為家庭網(wǎng)關(guān)，用跳線將ZigBee終端節(jié)點與紅外控制模塊通過串口相連作為終端節(jié)點。終端節(jié)點部署在室內(nèi)不同的房間完成對房間內(nèi)家電的控制。整個系統(tǒng)上電后，采用Android智能手機作為系統(tǒng)的控制終端，Android智能手機的空調(diào)控制界面如圖8所示。

圖8 Android智能手機的空調(diào)控制界面

Android智能手機通過Wi-Fi接入家庭網(wǎng)關(guān)來完成相關(guān)操作。首先在界面上選擇房間號，進入當(dāng)前房間的空調(diào)控制頁面。當(dāng)在控制界面上選擇開始學(xué)習(xí)紅外指令時，紅外控制模塊開始學(xué)習(xí)室內(nèi)空調(diào)的紅外信號，并存儲編碼。完成學(xué)習(xí)后，就可以通過紅外控制模塊完成對室內(nèi)空調(diào)的控制。同樣也可以完成對室內(nèi)其它基于紅外控制協(xié)議家電的控制。

5 結(jié)束語

設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的遠程家電控制系統(tǒng)，在不對現(xiàn)有基于紅外控制協(xié)議家電做任何改造的情況下，利用ZigBee技術(shù)將它們?nèi)谌霟o線網(wǎng)絡(luò)，達到了對室內(nèi)家電統(tǒng)一管理和遠程操控的目的?？刂平K端采用Android移動終端，可以通過網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，使得用戶對家電設(shè)備的操控更加方便、快捷。ZigBee技術(shù)功耗低、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢降也低了系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)具有良好的可擴展性。本系統(tǒng)在普通家居生活和一般辦公場所具有一定的應(yīng)用推廣價值。

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Remote Control System of Home Appliances Based on ZigBee Technology

ZHANG Xiong，QIN Hui-bin，MAO Xiang-gen，LI Qi
（School of Electronics Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

In order to realize the unified management and remote control of common home appliances，a remote control system of home appliances based on ZigBee technology is designed.The system uses ARM11 as the main control platform and Android mobile terminal as the user control platform，and forms a home wireless network with home appliances control module using ZigBee technology. The ARM main control platform runs the gateway server program，receives the access request from Android mobile terminal，and sends the request information to the home network by ZigBee technology to realize the control of corresponding appliances.Through the test，the remote control of home appliances such as air conditioner is realized through the Android mobile terminal.

ZigBee technology；ARM11；wireless network；remote control

TP393.0

A

1003－3114（2015）06－68－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.18.

張 雄，秦會斌，毛祥根，等.基于ZigBee技術(shù)的遠程家電控制系統(tǒng)［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：68－71.

2015－07－16

張 雄（1987―），男，碩士，主要研究方向：嵌入系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。秦會斌（1961―），男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：新型電子器件與ASIC設(shè)計，現(xiàn)代傳感器設(shè)計及應(yīng)用。