基于ZigBee的智能家居設(shè)備設(shè)計

李　琪，秦會斌，張　雄

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

基于ZigBee的智能家居設(shè)備設(shè)計

李琪，秦會斌，張雄

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

針對傳統(tǒng)智能家居存在布線困難、移動性差、維護成本高等缺點，提出了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)的智能家居方案。整個系統(tǒng)以S3C2440作為服務(wù)器，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了通過協(xié)調(diào)器控制子節(jié)點終端。具體的子節(jié)點終端設(shè)備由STM32單片機控制，設(shè)備包括家居環(huán)境信息實時顯示、十級調(diào)光和模擬窗簾。經(jīng)測試驗證，系統(tǒng)在液晶屏上實時顯示當前日期（包括陰歷和星期）、時間以及室內(nèi)溫度；通過在智能手機終端界面發(fā)送指令，燈光亮度和窗簾閉合度實現(xiàn)0～100%可調(diào)。

智能家居；ZigBee；S3C2440；協(xié)調(diào)器；子節(jié)點；STM32

1　引言

智能家居將網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動化控制技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合到了各種家用設(shè)備中，具有高效、舒適、安全、方便等特點［1］。傳統(tǒng)的智能家居基本上是采用有線的方式，不僅需要專業(yè)人員施工、專門公司維護，而且費用高、系統(tǒng)靈活性差、擴展能力低。新的智能家居改善了傳統(tǒng)智能家居的缺點，讓用戶擁有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如加觸摸屏、無線遙控器、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，將各個設(shè)備聯(lián)合起來。本文設(shè)計了一套智能家居系統(tǒng)，并實現(xiàn)了具體的智能家居設(shè)備。系統(tǒng)采用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為ZigBee技術(shù)，ZigBee是基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的協(xié)議，專門用于如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器等小型設(shè)備。

2　智能家居服務(wù)器以及系統(tǒng)ZigBee組網(wǎng)簡介

2.1服務(wù)器簡介

本智能家居系統(tǒng)采用的服務(wù)器基于ARM處理器，使用的是三星公司生產(chǎn)的一款芯片S3C2440。S3C2440是 以ARM920T為 核心， 采 用0.13 μm CMOS標準單元和存儲器編譯器開發(fā)。S3C2440的CPU內(nèi)核是一個32位的高級RISC架構(gòu)，跟傳統(tǒng)的8位處理器相比，在處理速度、處理容量和穩(wěn)定性方面具有無可比擬的優(yōu)勢［2］。

在ARM平臺基礎(chǔ)上，本智能家居系統(tǒng)移植了Linux操作系統(tǒng)。之所以選擇嵌入式Linux系統(tǒng)，是因為其具有開放源代碼、系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高及內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點，同時又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。本服務(wù)器采用客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，即請求服務(wù)的一方為客戶端，提供服務(wù)的一方為服務(wù)器。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)的指令到ZigBee協(xié)調(diào)器，服務(wù)器軟件流程圖如圖1所示。

圖1 服務(wù)器軟件流程圖

2.2ZigBee系統(tǒng)組網(wǎng)簡介

基于ZigBee的特點，本系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)組建內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中支持三種節(jié)點類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件（Full Functional Device，F(xiàn)FD），一個終端節(jié)點可以是全功能器件或者是精簡功能器件（Reduced Functional Device，RFD）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，星形、網(wǎng)狀、簇狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)都是點對點網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合一些設(shè)備分布比較廣的場所。而星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、管理方便，可以滿足小范圍的室內(nèi)應(yīng)用，因此本系統(tǒng)采用的就是這種星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［3］。

對于星形網(wǎng)絡(luò)，由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器主要用于建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配各個終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，接受上層服務(wù)器發(fā)送的指令到各個終端設(shè)備，并接受子節(jié)點的環(huán)境信息，將收到的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器上傳到終端最終在客戶端進行實時顯示。終端與終端設(shè)備不能直接進行通信，協(xié)調(diào)器可以作為終端設(shè)備通信的橋梁，發(fā)送方可以先把數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標設(shè)備［4］，因此協(xié)調(diào)器是整個星形網(wǎng)絡(luò)的核心。

2.3ZigBee控制芯片簡介

本文采用的ZigBee控制芯片為cc2530，由TI公司生產(chǎn)，并支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)芯片，其內(nèi)部集成了射頻收發(fā)器、8051內(nèi)核、256 kB Flash和8 kB RAM［5］。cc2530具有2個串口、定時器、看門狗定時器、12位ADC、21個GPIO以及豐富的硬件支持；并支持5種工作模式，可以達到超低功耗的要求。

3　系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)以S3C2440作為控制中心，智能手機和LCD觸摸屏為控制終端，智能手機通過Wifi接入ARM控制中心，實現(xiàn)遠程控制，LCD觸摸屏實現(xiàn)本地控制。在ZigBee無線技術(shù)組成的內(nèi)部無線局域網(wǎng)上，智能手機和LCD觸摸屏向控制中心S3C2440發(fā)送控制指令，服務(wù)器收到指令后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理這些控制指令并發(fā)送給子節(jié)點，以此來控制子節(jié)點的家居設(shè)備［6］。同時子節(jié)點采集數(shù)據(jù)（如室內(nèi)環(huán)境的檢測信息），協(xié)調(diào)器收到子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，上傳到ARM服務(wù)器，供控制中心S3C2440使用。整體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2　整體設(shè)計框圖

服務(wù)器與ZigBee協(xié)調(diào)器是通過串口連接的，服務(wù)器上集成的LCD控制器、DM9000和USB-Host控制器分別與外界的LCD觸摸屏、外部因特網(wǎng)和USB-Wifi模塊連接，方便快捷。被控終端的控制芯片為STM32單片機。

4　智能家居設(shè)備具體實現(xiàn)

綜上所述，一個基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境搭建完成，本設(shè)計重點講述在該環(huán)境下智能家居設(shè)備的具體實現(xiàn)。本文設(shè)計了三種智能家居設(shè)備，分別是實時溫度采集和日期的顯示、10級可調(diào)燈光以及模擬窗簾。三種設(shè)備均由同一款單片機控制，該單片機為STM32。

4.1子節(jié)點終端設(shè)備核心控制器

設(shè)備的核心控制器芯片為STM32F103C8T6，由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)。該芯片使用高性能的ARM@CortexTM-M3的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達128 kB的閃存和20 kB的SRAM，具有豐富的增強I/O端口。所有型號的器件都包含3個通用16位定時器、2個12位的ADC和1個PWM定時器。此外，還包含2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口等［7］，很好地滿足了本系統(tǒng)的要求?；趯ο到y(tǒng)成本的考慮，本設(shè)計采用了STM32F103C8T6型號的STM32單片機。

4.2實時溫度采集設(shè)計

4.2.1硬件設(shè)計

此設(shè)備用于采集室內(nèi)溫度，并實時顯示。子節(jié)點設(shè)備發(fā)送指令到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器提取該設(shè)備上溫度以及時間數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器上的液晶屏顯示，方便用戶掌握內(nèi)部家居環(huán)境。

溫度采集選用的是DS18B20傳感器，該傳感器體積小、抗干擾能力強、精度高，而且接線方便，只有3個管腳，在使用過程中不需要其他元器件。實時時鐘芯片選用的是DS1302，接口簡單，價格低廉，使用方便，而且功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1 μW，在沒有電源供電的情況下，可以工作長達十年，這是選用它的主要原因。此外，DS1302采用的是串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能［8］。液晶屏選用LCD12864，實時溫度采集硬件電路圖如圖3所示。

圖3　實時溫度采集電路

4.2.2軟件設(shè)計

在協(xié)調(diào)器的指令還沒有到來之前，此模塊實時顯示室內(nèi)的溫度信息以及時間日期，當協(xié)調(diào)器發(fā)送指令到子節(jié)點之后，子節(jié)點將指令傳送給STM32，單片機將時間日期和溫度的信息通過子節(jié)點發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將此信息傳送給服務(wù)器，便可在服務(wù)器LCD上顯示當前時間以及溫度。

此外，在軟件設(shè)計方面，除了顯示時間日期外，通過軟件算法，對陽歷日期進行計算，得出農(nóng)歷以及星期的值，一并顯示在LCD上。

4.310級可調(diào)燈光設(shè)計

4.3.1硬件設(shè)計

為實現(xiàn)燈光多級可調(diào)，本設(shè)計采用了PT4115驅(qū)動LED燈，并接收來自STM32輸出的PWM波，從而實現(xiàn)對燈亮度的控制，本設(shè)計實現(xiàn)了10級可調(diào)LED亮度。

PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED。PT4115采用PWM調(diào)光措施，較傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。當DIM引腳電壓低于0.3時關(guān)斷LED電流，高于2.5 V時開啟LED電流。根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅(qū)動高達數(shù)十瓦的LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光［9］。PT4115調(diào)光電路如圖4所示。

圖4　調(diào)光電路

4.3.2軟件設(shè)計

子節(jié)點模塊接收來自協(xié)調(diào)器的指令后，將指令傳給STM32單片機控制器，STM32接收到指令后，重新設(shè)置PWM波輸出的占空比，從而控制PT4115的DIM引腳，實現(xiàn)調(diào)光功能，軟件流程圖如圖5所示。

圖5　調(diào)光模塊軟件流程圖

4.4模擬窗簾設(shè)計

4.4.1硬件設(shè)計

為實現(xiàn)模擬窗簾，本設(shè)計采用步進電機模擬窗簾的打開、關(guān)閉、停止。本設(shè)計選用的電機為二相四線步進電機，步距角為18°。在工頻交流或直流電源上，步進電機將不能工作，必須用專用的電機驅(qū)動器才能工作。

本設(shè)計采用的驅(qū)動器為L298N電機驅(qū)動器。L298N為雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，是由SGSTHOMSON Microelectronics 公司出產(chǎn)的，專門用于驅(qū)動二相和四相步進電機，也可驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機。其內(nèi)部含有2個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46 V、2 A以下的步進電機［10］。L298N驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6　模擬窗簾硬件電路

4.4.2軟件設(shè)計

驅(qū)動電機采用四相八拍的方式，直接由STM32的I/O端口提供模擬的時序信號。當收到來自協(xié)調(diào)器傳給子節(jié)點的指令后，將指令再傳給STM32，通過STM32控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，模擬出窗簾的打開、關(guān)閉、停止。為了使智能家居更智能，當子節(jié)點電源關(guān)閉時，應(yīng)該記住窗簾所在的位置，下次上電后，再從標記的位置開始操作。因此，本軟件采用擦寫芯片flash以標記和恢復(fù)窗簾位置，流程圖如圖7所示。

圖7　模擬窗簾軟件流程圖

5　測試驗證

在智能手機終端安裝好應(yīng)用程序，并啟動該組網(wǎng)系統(tǒng)，開啟子節(jié)點終端設(shè)備電源，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后，達到預(yù)期的效果，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

居住環(huán)境方面，可以在液晶屏上和智能手機終端實時顯示當前室內(nèi)溫度值和日期信息，方便用戶了解居住環(huán)境。窗簾控制方面，實現(xiàn)電動窗簾調(diào)節(jié)，用戶無需手動操作，選擇終端界面上的打開、關(guān)閉按鈕，以此來發(fā)送指令控制電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了窗簾開合程度從0～100%進行調(diào)節(jié)。智能調(diào)光方面，在智能手機上通過點擊相應(yīng)的燈光調(diào)控按鈕，既可通過wifi發(fā)送不同的指令調(diào)節(jié)PWM波的占空比，以此控制燈光的亮度。整個系統(tǒng)燈光調(diào)節(jié)分為十個級別，用戶可以根據(jù)實際需要，達到自己想要的效果和氛圍，打破了傳統(tǒng)照明模式，提高了照明系統(tǒng)的智能化。再者，降低了照明過程中的消耗，節(jié)省了不必要的電費開支，更加節(jié)能和環(huán)保。圖8為液晶屏上實時顯示采集到的溫度信息效果圖；圖9為調(diào)光燈亮度達到30%的效果圖；圖10為模擬電動窗簾從左到右打開程度為30%時的模擬圖。

圖8　溫度采集圖

圖9　亮度為30%效果圖

圖10　窗簾打開30%模擬圖

6　結(jié)束語

本文提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居設(shè)備設(shè)計方案，在ARM平臺上搭建了一個并發(fā)服務(wù)器和QT界面程序，利用智能手機和LCD觸摸屏發(fā)出的指令控制子節(jié)點終端。經(jīng)長期測試，實時顯示時間和溫度精度高，燈光和模擬窗簾的反應(yīng)靈敏，達到了設(shè)計要求。

本系統(tǒng)擴展性強，該系統(tǒng)對于溫度的檢測可以擴展到環(huán)境檢測的其他方面，如濕度檢測、PM2.5值、煙霧檢測等（將溫度傳感器換為濕度、PM2.5、煙霧等傳感器），而對于環(huán)境惡劣的一些工業(yè)場所，更是有著廣泛應(yīng)用。燈光可調(diào)和電動窗簾的實現(xiàn)則可適用于大型酒店子系統(tǒng)、辦公場所、高端樓宇等。整個系統(tǒng)設(shè)計使得家居生活更加智能化和舒適，給用戶全新的體驗和感受，使得此系統(tǒng)易推廣，具有很好的市場前景。由于篇幅有限，本文重點介紹子節(jié)點終端的具體實現(xiàn)，QT界面程序以及智能手機安卓客戶端的細節(jié)本文并未涉及。

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Design of Smart Home Devices Based on ZigBee

LI Qi， QIN Huibin， ZHANG Xiong
（School of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

According to the shortcoming of wiring difficulties， poor mobility， high-cost maintenance and so on in the traditional smart home， a smart home scheme based on Zigee wireless sensor network technology is designed. The whole system regards S3C2440 as the server combining with the ZigBee network technology to control the sub-node terminals by the coordinator. The sub-node terminals contain the common devices such as the smart home environment information real-time display， ten-level dimming and simulate curtain are controlled by STM32. The current date（including lunar calendar and weekdays）， time and room temperature are displayed on the LCD in real time， and the lighting intensity and the degree of the curtain's closure can be controlled between 0 and 100% by sending instructions to the coordinator on the smart phone after verification. Key words： smart home； ZigBee； S3C2440； coordinator； sub-node terminals； STM32

TN409

A

1681-1070（2015）03-0044-05

李琪（1988—），女，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

2015-01-28