基于ZigBee與XBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其性能測試

李敏 唐惠玲 張沙清 高京廣

摘 要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)以ARM與單片機(jī)為控制核心，以語音為控制信號，基于ZigBee與XBee兩種無線通信技術(shù)的室內(nèi)智能家居控制器的性能比較系統(tǒng)。并對系統(tǒng)在這兩種通信方式下的通信距離、功耗以及抗干擾性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)對比分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，XBee無線通信技術(shù)通信距離更遠(yuǎn)，功耗更低，抗干擾性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： ARM； 智能家居； ZigBee； XBee； 無線通信

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0048?05

Abstract： A performance comparison system of indoor smart home controller based on two wireless communication technologies of ZigBee and XBee was designed. It takes ARM and microcontroller as its control core， and voice as its control signal. The experimental test and data contrastive analysis for the communication distance， power consumption and anti?interference ability of the system were conducted under the two communication modes. The experimental analysis results show that the XBee wireless communication technology has farther communication distance， lower power consumption and stronger anti?interference ability.

Keywords： ARM； smart home； ZigBee； XBee； wireless communication

0 引 言

目前國內(nèi)外的智能家居控制系統(tǒng)大多數(shù)采用有線方式，其布線麻煩、控制效率低、維護(hù)困難、功能單一。近些年越來越多的智能家居產(chǎn)品開始采用無線控制方式，但由于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、開發(fā)難度大等，使其存在穩(wěn)定性低、成本高、推廣難等缺點(diǎn)[1?2]。目前在智能家居領(lǐng)域采用何種無線控制方式，尤其是在室內(nèi)智能家居領(lǐng)域一直沒有明確的答案。

一直以來，國內(nèi)外科研工作者對智能家居的發(fā)展做了大量的工作，這些工作主要?dú)w結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1） 控制器選擇的研究?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)的“大腦”，它的合理選擇不僅關(guān)系到系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也決定了系統(tǒng)開發(fā)的難易程度，如文獻(xiàn)[3?4]重點(diǎn)分析了控制器的速度、存儲(chǔ)量、開發(fā)容易度及I/O口等；

（2） 通信方式的研究。通信方式主要分為遠(yuǎn)程通信與近距離通信，如文獻(xiàn)[5]采用GPS/GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信功能，這一技術(shù)現(xiàn)已成熟，應(yīng)用也非常廣泛。對于近距離通信，國內(nèi)外科研工作者也做了大量的工作，文獻(xiàn)[6?7]研究表明，采用WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等通信效果較好，但其存在功耗大、傳輸距離太近等缺陷[8]，不是室內(nèi)智能家居的最佳選擇。近年國內(nèi)外專家一直致力于近距離通信方式的研發(fā)，取得了可喜的成果，如最近興起的ZigBee技術(shù)與XBee技術(shù)，此兩種技術(shù)在諸多領(lǐng)域已有應(yīng)用，如文獻(xiàn)[9?12]成功把ZigBee與XBee技術(shù)應(yīng)用于煤礦數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)的搭建以及智能家居。但ZigBee與XBee技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能對比，目前還未見相關(guān)研究。

本文針對兩種新興的近距離無線通信技術(shù)在室內(nèi)智能家居中的應(yīng)用問題設(shè)計(jì)了一個(gè)集成ZigBee模塊和XBee模塊的兩種無線通信技術(shù)的室內(nèi)智能家居控制系統(tǒng)，對兩種技術(shù)的傳輸距離、功耗和抗干擾能力進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為簡化對比實(shí)驗(yàn)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)除ZigBee模塊和XBee模塊不同外，其他電路均采用相同電路，然后分別進(jìn)行軟件編程與調(diào)試，最后對重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量與分析。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要通過用戶語音進(jìn)行控制。首先，系統(tǒng)通過信號接收與處理模塊對用戶語音信號進(jìn)行接收、識別與處理，并將處理后的信息通過串行通信的方式傳輸給無線通信模塊，并由發(fā)射端傳送給接收端，接收端同樣采用串行通信將信息傳輸給家電控制模塊；家電控制模塊主要對發(fā)來的指令信息進(jìn)行解讀，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，實(shí)現(xiàn)對家電的智能控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括信號接收與處理模塊、無線通信模塊、家電控制模塊等，系統(tǒng)的整體功能主要通過各模塊功能的相互組合而實(shí)現(xiàn)。

2.1 信號接收與處理模塊

信號接收與處理模塊是實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)交互的接口，本系統(tǒng)首先采用語音識別模塊，對用戶發(fā)出的語音指令進(jìn)行識別與初步處理，然后通過單片機(jī)STC10F04XE對語音識別模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和進(jìn)一步處理，最終傳輸給無線通信模塊發(fā)射端進(jìn)行發(fā)送。

2.2 無線通信模塊

本設(shè)計(jì)主要是對兩種無線通信方式在室內(nèi)智能家居應(yīng)用中的性能進(jìn)行對比研究，所以本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)采用了兩種通信模塊，ZigBee模塊與XBee模塊。目前國內(nèi)生產(chǎn)ZigBee模塊的廠家比較多，大致功能與效果相似，本文主要采用TI公司CC2530 芯片為核心的ZigBee模塊。XBee模塊是采用DIGI旗下MaxStream公司生產(chǎn)的無線通信模塊，它是一款超小型、低功耗，但功能完善的無線通信收發(fā)器。

兩無線通信模塊都自帶軟件開發(fā)包，可直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)無線通信，但都需提前對模塊的收發(fā)端進(jìn)行匹配，才能實(shí)現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信。由于單片機(jī)的引腳電壓為5 V，而兩種通信模塊的引腳電壓為3.3 V，故模塊與單片機(jī)連接時(shí)，本設(shè)計(jì)采用光電隔離。兩模塊均進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，其發(fā)射部分電路連接圖如圖2所示，[VCC]為5 V電壓，通過AMS1117轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給無線通信模塊供電，同時(shí)利用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)控制各無線通信模塊的電源輸入，方便無線通信模塊單個(gè)測試。由于模塊接收端和發(fā)送端與微控制器的電路設(shè)計(jì)相似，所以只展示單片機(jī)與兩模塊發(fā)射端相連部分的電路圖。

2.3 家電控制模塊

家電控制模塊主要由控制器模塊、控制電路、顯示模塊、電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。家電控制模塊在工作過程中，主要由無線通信模塊接收端傳入的信息而觸發(fā)，通過ARM讀取接收端的信息，而產(chǎn)生相應(yīng)的家電控制信號，家電控制信號再通過控制電路執(zhí)行對家電工作模式的設(shè)置，同時(shí)利用顯示模塊對家電的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。下面分別對各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

2.3.1 控制器模塊

本模塊采用ARM作為主控芯片，是采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103RB。ARM主要負(fù)責(zé)對無線通信模塊接收端信息的讀取、處理與轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過控制電路與液晶顯示電路實(shí)現(xiàn)對家電運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制與顯示。

2.3.2 控制電路

該電路主要由二極管、三極管、繼電器等組成。二極管反向并聯(lián)在繼電器上，主要負(fù)責(zé)抑制與吸收繼電器在開啟或關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，從而對繼電器起到保護(hù)作用。三極管通過集電極與發(fā)射極與繼電器串聯(lián)，基極則連接ARM的I/O口，ARM通過基極控制三極管的導(dǎo)通與截止，從而控制繼電器直流通路的通與斷，實(shí)現(xiàn)繼電器通路的切換。繼電器采用5 V直流控制220 V交流的單刀雙擲繼電器，繼電器的常開端與公共端直接與家電電源電路串聯(lián)。

2.3.3 電源與顯示模塊

電源模塊主要為無線接收模塊、ARM、顯示模塊、控制電路等提供所需電壓。其主要由集成開關(guān)芯片MC34063，LM2596及AMS1117等構(gòu)成。顯示模塊主要是對電器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便用戶監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于兩無線通信模塊都自帶軟件開發(fā)包，所以在分別使用兩模塊時(shí)，其軟件設(shè)計(jì)流程基本相同。本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：語音信號采集與處理、數(shù)據(jù)通信、家電控制。

語音信號采集與處理程序主要負(fù)責(zé)對語音命令循環(huán)采集、比較與處理；數(shù)據(jù)通信程序是利用無線通信模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸；家電控制程序則是通過讀取通信模塊接收端的信息，完成相應(yīng)的家電控制職責(zé)。下面逐一對各個(gè)程序進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 語音信號采集與處理程序

語音信號采集與處理程序流程圖如圖4所示。上電后，首先初始化語音信號采集模塊，若有語音信號，則對語音信號采集模塊采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的功能數(shù)據(jù)群進(jìn)行逐一比較，判斷是否有相等數(shù)據(jù)，若有相等數(shù)據(jù)則調(diào)用信號發(fā)射子程序，否則返回，重新等待語音命令。預(yù)設(shè)的功能數(shù)據(jù)群是語音采集模塊對各家電控制命令解讀而產(chǎn)生的理論數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)通信程序

數(shù)據(jù)通信程序主要由發(fā)射與接收兩部分組成。本設(shè)計(jì)采用兩種無線通信模塊，但采用相同的程序設(shè)計(jì)思路，其通信程序流程圖如圖5所示。發(fā)射部分上電后首先進(jìn)行初始化，再判斷發(fā)射、接收是否能正常通信，通過信號指示燈判別。對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中由語音信息采集與處理程序得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與發(fā)送，由LED燈閃爍進(jìn)行指示。接收部分，首先初始化，同樣判斷是否通信正常，正常則進(jìn)入接收狀態(tài)，然后利用LED燈指示是否接收數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)傳送給ARM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

3.3 家電控制程序

家電控制程序主要是通過ARM對各個(gè)用電器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與顯示。程序流程圖如圖6所示，首先初始化LCD顯示界面，然后讀取存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，從而控制相應(yīng)的家電，并且通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便用戶觀察。

4 系統(tǒng)性能對比測試

無線通信模塊在室內(nèi)智能家居控制系統(tǒng)應(yīng)用中主要有三個(gè)重要參數(shù)：

（1） 通信距離，由于室內(nèi)有墻壁阻隔以及其他各種家用物品障礙物，通信距離的性能指標(biāo)直接決定系統(tǒng)的可執(zhí)行性；

（2） 抗干擾性，由于本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于室內(nèi)，所以抗干擾能力也是一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，其干擾因素主要來源于墻壁阻隔干擾；

（3） 通信模塊的功耗，現(xiàn)如今大多數(shù)通信模塊屬于低功耗，很多產(chǎn)品采用電池供電，所以通信模塊消耗功率是一個(gè)衡量性能的重要指標(biāo)。

這需針對這三個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

4.1 距離與抗干擾性測試

為考量無線通信方式在室內(nèi)智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，對這兩種無線通信方式進(jìn)行室內(nèi)（存在墻壁阻隔）與樓道（直線可視）兩種環(huán)境下通信距離的測試，并且在空曠的室外也進(jìn)行了測量。因?yàn)閴Ρ谧韪羰怯绊懲ㄐ啪嚯x與造成干擾的主要因素，所以距離與抗干擾性測試同時(shí)進(jìn)行。抗干擾性能測試主要是系統(tǒng)在這兩種通信方式下，通過穿透墻壁的數(shù)量進(jìn)行對比分析，從而判斷哪種通信方式抗干擾性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。圖7為ZigBee模塊接收效果圖，接收端模塊收發(fā)正常時(shí)信號指示燈由閃變?yōu)槌Ａ?，隨著距離的增加，到達(dá)一定距離后信號收發(fā)性能變?nèi)?，指示燈變閃，最終指示燈變滅，達(dá)到最遠(yuǎn)通信距離。XBee模塊效果圖與其類似。

室內(nèi)通信距離測試主要進(jìn)行水平通信距離與垂直通信距離測試。水平通信距離即測試在室內(nèi)同樓層間穿墻通信距離，垂直通信距離則是在不同樓層間進(jìn)行通信距離測量。本設(shè)計(jì)選擇房間寬度約為5 m，樓層高度約為3 m的建筑進(jìn)行測試，經(jīng)測試得出ZigBee水平通信距離大約為10 m，穿越一間房兩堵墻，垂直通信距離約為10 m，穿越一層樓兩塊天花板。XBee水平通信距離約20 m，穿越三間房六堵墻，垂直通信距離同樣約20 m，穿越六層樓七塊天花板。兩者在室內(nèi)通信距離測試中，水平通信距離與垂直通信距離效果相似。

樓道通信距離測試，本設(shè)計(jì)樓道選擇寬度約為1.5 m，樓道一側(cè)為建筑本身，另一側(cè)比較空曠，障礙物少，直線可視，符合大多數(shù)室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)測試得出ZigBee樓道通信距離約為65 m，XBee樓道通信距離約為100 m。

室外通信距離測試，主要選擇在比較空曠的室外進(jìn)行測量，此參數(shù)方便用戶安裝智能路燈、室外監(jiān)控設(shè)備等器件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試可知，ZigBee室外通信距離約為100 m，XBee室外通信距離大于200 m，都適用于不同需求的室外智能控制。

通信距離測試數(shù)據(jù)對照表如表1所示，由測試數(shù)據(jù)對比可知，XBee模塊不管是在室內(nèi)、樓道、還是在室外都比ZigBee模塊通信距離遠(yuǎn)，并且由室內(nèi)通信測試可知，XBee模塊穿透的墻壁數(shù)量更多。綜上可知，室內(nèi)通信距離遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)，代表此通信方式抗干擾性強(qiáng)，在相同范圍內(nèi)進(jìn)行通信時(shí)穩(wěn)定性更高；樓道中的通信距離也同樣說明上述優(yōu)點(diǎn)；室外通信距離，說明用戶可在更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)安裝所需的智能設(shè)備，更加滿足用戶的需求。

4.2 功耗測試

由于本設(shè)計(jì)除通信模塊不同外，其余均采用相同電路，所以系統(tǒng)的功耗測試差異就為無線通信模塊功耗的差異。利用變頻電源器給發(fā)射部分提供穩(wěn)定的輸入，再通過智能電參數(shù)測量儀對發(fā)射部分電路工作時(shí)所需功率進(jìn)行測量，如圖8所示，圖中儀器上有四個(gè)測試參數(shù)，左上代表市電輸入，右上代表電流輸入，左下為PF值，右下代表輸入功率。圖8（a）為ZigBee模塊單獨(dú)工作，系統(tǒng)無其他外圍電路工作時(shí)，由變頻電源提供穩(wěn)定220 V市電，再通過電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為5 V輸入，ZigBee模塊發(fā)射端所需的功率及電流參數(shù)。圖8（b）為XBee模塊通過相同的方式測出的所需電流與功率參數(shù)。

由圖8中的測試數(shù)據(jù)可知，采用ZigBee模塊的發(fā)射部分工作時(shí)所需功率為0.94 W，而采用XBee模塊只需0.69 W，從所需功耗參數(shù)比較可得，XBee模塊功耗更低，若采用電池，其使用壽命更長，更適用于室內(nèi)智能家居。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)與XBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，并進(jìn)行性能對比分析。經(jīng)測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：應(yīng)用XBee無線通信技術(shù)在室內(nèi)、樓道、室外，其通信距離更遠(yuǎn)；XBee無線通信技術(shù)抗干擾性更強(qiáng)，更適用于存在諸多墻壁、家電等干擾的室內(nèi)家居應(yīng)用；在相同條件下，應(yīng)用XBee無線通信模塊功耗更低，若采用電池供電，其使用壽命更長。所以，XBee無線通信技術(shù)更加適用于室內(nèi)家居智能控制系統(tǒng)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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