基于ZigBee技術的智能家居設計

張寧

摘 要 本設計是基于ZigBee技術的無線智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)，以家庭網(wǎng)關系統(tǒng)為核心，采用32位ARM處理器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器采用無線收發(fā)模塊CC2430，組成一個具有路由功能的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。用戶可通過PC機或智能手機能實現(xiàn)家居環(huán)境溫濕度檢測、窗簾門禁控制、安防報警控制、家居設備遠程控制等功能。

關鍵詞 智能家居 ZigBee 家庭網(wǎng)關 CC2430 遠程控制

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A

1智能家居的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著社會的快速發(fā)展，越來越多的智能化、人性化、自動化的科技產(chǎn)品服務于人們的生活，智能家居已經(jīng)走進了我們生活。美國在這方面處于國際領先地位，如微軟開發(fā)的“夢幻之家”等智能系統(tǒng)。

2000年以來我國開始意識到智能小區(qū)建設的重要性，逐漸步入智能家居領域，涉及燈光窗簾控制、室內(nèi)多媒體娛樂、設備安防報警、家居環(huán)境監(jiān)測等方面。但是智能家居設備產(chǎn)品多為有線組網(wǎng)，它的布線設計、連接串口和擴展性能等諸多方面存在很多問題，而無線通信靈活性、使用方便特性和無需布線等，因此很受市場青睞，這表明了無線通信技術是智能家居發(fā)展的最終趨勢。

2 ZigBee協(xié)議體系結構

ZigBee協(xié)議的體系結構包括4層，即物理層、MAC層、網(wǎng)絡層、應用層。物理層主要功能：負責ZigBee無線發(fā)射機的激活、關閉；檢測當前信道的能量；接收鏈路服務質(zhì)量信息指示（LQI）等。

MAC層包括數(shù)據(jù)服務和管理服務。數(shù)據(jù)服務：保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)。MAC層管理服務：維護存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關信息的數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡層是ZigBee協(xié)議體系核心部分，其主要功能：組建網(wǎng)絡路由、實現(xiàn)路由查找及傳送數(shù)據(jù)，接收、拋棄其它的節(jié)點等。

ZigBee應用層包含ZigBee設備對象（ADO）、應用支持子層（APS）和技術相關設備制造商定義的應用對象。應用支持層APS用于維持綁定表，根據(jù)需求，在綁定的設備之間實現(xiàn)信息互傳。

3 智能家居設計系統(tǒng)硬件構成

3.1 系統(tǒng)硬件總體設計思路

本設計智能家居硬件部分主要包括五個部分系統(tǒng)模塊：S3C2440主控制器模塊、無線射頻收發(fā)模塊、溫濕度采集模塊、門窗安防模塊和GPRS模塊。用戶可通過GPRS模塊上的RS232接口與控制終端連接使用，監(jiān)控家庭中的各種設備工作。

3.2 智能家居系統(tǒng)硬件服務器

3.2.1 家庭網(wǎng)關

家庭網(wǎng)關是該家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心設備，其主要功能：連接家居無線網(wǎng)絡與外部公共網(wǎng)絡連接口，實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息的交互功能。本設計采用32位ARM處理器S3C2440，其具有2個通道SPI，3個通道UART，4個通道DMA控制器，LCD控制器，還具有MMU虛擬存儲器單元等，可用于支持多種主流式嵌入系統(tǒng)[4]。

3.2.2 無線通信收發(fā)模塊

本設計采用系統(tǒng)芯片CC2430的COMS解決方案，ZigBee無線射頻收發(fā)器集成在CC2430上。ZigBee無線射頻前端CC2430模塊，是一款低功耗、低成本、高性價比的射頻模塊，還可滿足ZigBee技術的2.4GHz ISM 波段的應用。

3.2.3 溫濕度傳感器節(jié)點

本設計采用SHT10溫濕度傳感器構建ZigBee傳輸溫濕度檢測節(jié)點。SHT10是一種數(shù)字式集成溫濕度傳感器，具有抗干擾能力強，成本低，體積小，適合家居室內(nèi)溫濕度采集。

4智能家居網(wǎng)絡軟件設計

4.1 ZigBee協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關模塊軟件設計

本系統(tǒng)的ZigBee協(xié)調(diào)器主要用于建立無線網(wǎng)絡，分配監(jiān)控ZigBee節(jié)點的網(wǎng)絡地址，向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制命令和接收來自監(jiān)控節(jié)點的環(huán)境信息和安防信息，并將接收到的數(shù)據(jù)全部上傳至ARM9微處理器S3C2440，最后通過移動網(wǎng)絡以短信的方式傳送到遠端的用戶端。

4.2 ZigBee終端節(jié)點程序

ZigBee終端節(jié)點是指ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無線ZigBee節(jié)點，首先ZigBee終端節(jié)點的初始化，接著嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡成功后，ZigBee終端節(jié)點將其注冊信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器完成對ZigBee終端節(jié)點的注冊。ZigBee終端節(jié)點每隔一定時間采集一次環(huán)境信息，并將該數(shù)據(jù)信息上傳至ZigBee協(xié)調(diào)器。如果安防信息檢測模塊檢測到有可燃氣體泄漏或盜賊入侵，ZigBee終端節(jié)點則直接進入中斷處理流程，將警報信息上傳至智能家居控制器，實現(xiàn)告知用戶并啟動聲光報警裝置。

5 總結

本設計是采用將ZigBee技術與嵌入式ARM技術結合起來，通過在家居環(huán)境下模擬測試，進行有效地網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)交互通信，本設計系統(tǒng)主要特點有：

（1）采用無線網(wǎng)絡設計，結合嵌入式開發(fā)Web服務器的引用，使得用戶使用起來更加方便，更加人性化。

（2）功能強大，系統(tǒng)可外擴其他功能，可由用戶的家居環(huán)境的網(wǎng)關IP地址、家電數(shù)目、家電具體情況來具體定制。

（3）用戶可把家中多臺家電都連入到網(wǎng)絡中，接受家庭網(wǎng)關的檢測和監(jiān)控。同時，控制終端設備也可在擴展，可把家中PC機、多臺移動手機、平板電腦等設備設置接入網(wǎng)絡中。

參考文獻

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