基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李泊鋒,王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

?

基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李泊鋒,王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要論述了基于ZigBee無線通訊的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以Android手機(jī)為控制中心,ZigBee無線通訊為橋梁,實(shí)現(xiàn)一種星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)在智能家居中的應(yīng)用。該系統(tǒng)以TI公司的CC2530單片機(jī)為主控,通過ZigBee自組網(wǎng),終端設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過Z-stack協(xié)議棧,發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器,通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦及手機(jī)上并顯示出來,實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的集中管理與控制。測(cè)試結(jié)果表明,ZigBee組網(wǎng)成功,終端節(jié)點(diǎn)能輕易地檢測(cè)到各子模塊連接的傳感器信號(hào),并可通過手機(jī)控制節(jié)點(diǎn)信號(hào)。

關(guān)鍵詞Android平臺(tái);ZigBee技術(shù);CC2530;Z-stack協(xié)議棧;智能家居

A Smart Home System Based on ZigBee Wireless Technology

LI Bofeng,WANG Yagang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractA smart home control system design based on ZigBee wireless communication is presented with the Android mobile phone as the center and ZigBee wireless communication as a bridge to form a star ZigBee network for smart homes.CC2530 single-chip of TI is used as the master control,and the terminal equipment collect data through the Z - stack protocol stack through the ZigBee ad-hoc network,which are sent to the ZigBee coordinator and passed via a serial port onto the computer and displayed on a mobile phone,thus realizing the centralized management and control of the equipment.Test results show that the ZigBee networking is successful and that the terminal nodes can easily detect the sensor signal of each module connection and can control node signal by mobile phones.

KeywordsAndroid platform;ZigBee technology;CC2530;Z - stack protocol stack;smart home

智能家居控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng),其是多技術(shù)融合的控制系統(tǒng),也是以住宅為平臺(tái),利用自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等,將家庭生活中相關(guān)的各類應(yīng)用子系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的家居控制,從而使家庭生活更加安全、節(jié)能、智能、便利和舒適[1]。

相比普通家居,智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,且能提供高效節(jié)能、舒適安全,更加人性化的生活體驗(yàn)。例如:窗簾能夠通過光敏傳感器判斷室內(nèi)的亮度,從而通過執(zhí)行器來伸縮卷簾;室內(nèi)溫度有變,空調(diào)可自動(dòng)打開或關(guān)閉從而使室內(nèi)溫度處于一個(gè)恒溫狀態(tài);各類報(bào)警設(shè)備也可監(jiān)控非法闖入住宅、煤氣泄漏、火災(zāi)等情況,一旦出現(xiàn)意外,這些報(bào)警信號(hào)最終可傳到用戶終端手機(jī),同時(shí)相關(guān)電器自動(dòng)進(jìn)入聯(lián)動(dòng)應(yīng)急狀態(tài),實(shí)現(xiàn)自主防范等。

智能家居需要有無線的控制設(shè)備,以前智能家居的控制設(shè)備有很多遙控終端,不僅不好管理且使用復(fù)雜;而隨著物聯(lián)網(wǎng)和Android技術(shù)的不斷發(fā)展,智能家居也逐漸以手機(jī)為控制中心,使用“無線通訊+手機(jī)APP”的方式,因這樣不僅降低了研發(fā)制造成本,且體驗(yàn)感也更好,隨著智能手機(jī)的不斷普及,技術(shù)的應(yīng)用也能更好地滿足人們的需求,智能家居的發(fā)展速度也越來越快了。

1ZigBee協(xié)議

成本低、傳輸率低、功耗低等短距離的無線通訊長期以來也都一直存在。藍(lán)牙、WiFi由于價(jià)格較高,影響了其應(yīng)用的廣泛性。所以,隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和研究,眾多新網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議也被催生出來。ZigBee聯(lián)盟于2001年成立,ZigBee技術(shù)總結(jié)起來有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)低功耗;(2)成本低;(3)時(shí)延短;(4)網(wǎng)絡(luò)容量大;(5)可靠、安全[2]。

1.1ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧定義了4層結(jié)構(gòu)[3]。如圖1所示,IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了較低的兩層,分別是物理層(PHY)和媒體訪問子層(MAC),ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上,定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層框架。應(yīng)用層框架由應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)組成。ZigBee協(xié)議棧各層完成相應(yīng)的任務(wù),完成后繼續(xù)向上一層提供信息與服務(wù),每層之間通過接口的邏輯鏈路來提供相應(yīng)的信息與服務(wù)[4]。

圖1　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層(NWK)支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分別是樹型、星型和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀型[5]。本文選擇使用的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器組建和維護(hù),其他的設(shè)備均為終端設(shè)備,并直接與協(xié)調(diào)器一對(duì)一通信。

2總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以Android手機(jī)為控制中心,手機(jī)與電腦之間通過WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)連接,利用ZigBee無線通訊為橋梁,協(xié)調(diào)器與各終端設(shè)備組成星型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用者可在自身的手機(jī)上安裝智能軟件界面,然后連接WiFi訪問電腦、路由器或其他嵌入式服務(wù)器,服務(wù)器通過串口向與其連接的協(xié)調(diào)器發(fā)送命令,協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線控制各個(gè)子節(jié)點(diǎn),來實(shí)現(xiàn)對(duì)各類檢測(cè)裝置、控制裝置和報(bào)警設(shè)備的控制,從而實(shí)現(xiàn)智能化控制[6]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖,如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體框圖

3系統(tǒng)硬件電路

ZigBee模塊框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要由ZigBee模塊(協(xié)調(diào)器)、ZigBee模塊(終端節(jié)點(diǎn))、PC、Android手機(jī)、各類傳感器、控制器等部分組成。本系統(tǒng)主要的硬件電路設(shè)計(jì)為ZigBee模塊,本文ZigBee芯片選用TI公司的CC2530F256,這是一款基于2.4 GHz無線收發(fā)器,并內(nèi)部集成了8051內(nèi)核的專用ZigBee芯片,芯片采用3.3 V供電[7]。

圖3　ZigBee模塊框圖

系統(tǒng)在終端模塊配置了氣體傳感器接口,此系統(tǒng)采用MQ-2氣體傳感器,這種傳感器可以檢測(cè)多種可燃性氣體,是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器;繼電器接口,采用松樂繼電器;溫濕度傳感器接口,采用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器,因?yàn)檫@是一款具有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,并具有極高的可靠性與穩(wěn)定性;人體紅外接口,選用HC-SR501人體感應(yīng)模塊,其是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品,靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低功耗;光敏傳感器接口,采用靈敏型的光敏電阻傳感器,然后將采集得到的信息和數(shù)據(jù)通過Z-stack協(xié)議棧和2.4 GHz無線,發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器模塊[8]。ZigBee協(xié)調(diào)器獲得終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,通過USB轉(zhuǎn)串口的接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上并顯示出來。

4系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

4.1Android手機(jī)監(jiān)控界面

Android手機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示,其包含了溫濕度實(shí)時(shí)顯示、燈光控制按鈕、連接狀態(tài)等信息,其通過設(shè)定和更改IP地址,按鍵發(fā)送控制命令,同時(shí)允許有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)接入,且能實(shí)時(shí)顯示各子節(jié)點(diǎn)信息。

圖4　上位機(jī)(PC機(jī))監(jiān)控界面

4.2模塊的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)軟件采用TI協(xié)議棧ZStack-2.3.0-1.4.0。通過協(xié)議棧配置的更改,便可將協(xié)議棧配置成協(xié)調(diào)器(Coordinator)、終端(Enddevice)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括硬件、網(wǎng)絡(luò)層、任務(wù)等的初始化,然后選擇OSAL任務(wù),進(jìn)入系統(tǒng)[9]。ZigBee協(xié)議棧流程圖,如圖5所示。

圖5　ZigBee工作流程圖

在ZStack協(xié)議棧中,首先要進(jìn)行組網(wǎng),即調(diào)用協(xié)議棧中的組網(wǎng)函數(shù),加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù),來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入,接著發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送,然后接收節(jié)點(diǎn)調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收。將任務(wù)程序添加到Zstack中,調(diào)用過程是:main()→osal_init_system()→osalInitTasks()→SampleApp_Init(),Main函數(shù)的初始化工作如圖6所示。

圖6　Main函數(shù)的初始化

系統(tǒng)搭建的硬件電路如圖8所示,對(duì)繼電器、溫濕度傳感器、光敏、紅外感應(yīng)等模塊進(jìn)行調(diào)試,對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化,在IAR Embedded Workbench V7.51 for 8051的集成開發(fā)環(huán)境中,開始對(duì)程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。通過SmartRF04 Flash Programmer軟件將程序下載到CC2530芯片中[10],光敏、繼電器、紅外、氣體信號(hào)通過LED燈的變化判斷工作均正常,溫濕度值通過安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng),通過串口助手,將采集來的溫濕度值顯示,如圖7所示。

圖7　采集的溫濕度值

圖8　搭建的硬件電路

5結(jié)束語

該設(shè)計(jì)主要論述了在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下,物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等正在快速發(fā)展,通過“無線通訊+手機(jī)App”的方式來設(shè)計(jì)智能家居,由此不僅降低了研發(fā)制造和制造成本,且用戶體驗(yàn)感更好。通過測(cè)試,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下的功能:ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無線通信;ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)能完成氣體檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、人體紅外檢測(cè)、亮度檢測(cè)、繼電器控制等功能;并可在Android手機(jī)上安裝APP應(yīng)用軟件來控制節(jié)點(diǎn),同時(shí)也可在電腦上安裝的應(yīng)用軟件來控制,系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到各子模塊連接的傳感器信號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]任麗莎,康冰,閆冬梅.基于ZigBee和Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(12):31-35.

[2]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]金純,羅祖秋,羅鳳,等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4]瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[5]李勁,程紹艷,李佳林,等.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)[J].測(cè)控技術(shù),2007,26(8):63-65.

[6]Li B,Yu J.Research and application on the smart home based on component technologies and internet of things[J].Procedia Engineering,2011(15):2087-2092.

[7]陳旭.基于ZigBee的可移動(dòng)溫度采集系統(tǒng)[D].武漢:武漢科技大學(xué),2009.

[8]郁友文,常建.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[9]張濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[10]張拓.無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

中圖分類號(hào)TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-086-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.022

作者簡(jiǎn)介:李泊鋒(1991—),男,碩士研究生。研究方向:嵌入式應(yīng)用等。王亞剛(1967—),男,博士,教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:復(fù)雜多變量辨識(shí)等。

收稿日期:2015- 08- 15