基于Zigbee無線技術(shù)的家用電器自動控制的研究

譚仕偉

（上海天祥質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200233）

基于Zigbee無線技術(shù)的家用電器自動控制的研究

譚仕偉

（上海天祥質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200233）

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，孕育出了人們對日常生活的智能化要求，表現(xiàn)出越來越迫切的發(fā)展趨勢。尤其是發(fā)達(dá)國家智能建筑的誕生和演進(jìn)，更是在全世界掀起了智能家居的熱潮。本文著眼于信息時代互聯(lián)網(wǎng)普及的背景下，首先闡述了智能家居技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀，并從系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了探討。

Zigbee技術(shù)；智能家居；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 智能家居技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

（1）國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。我國智能家居技術(shù)的研究和開發(fā)始于2000年，歷經(jīng)了十多年的研究和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了比較明顯的飛躍和進(jìn)步。伴隨著信息技術(shù)席卷人們的日常生活，在國內(nèi)發(fā)展的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)表現(xiàn)出非常樂觀的市場潛力，但由于其處于導(dǎo)入期的現(xiàn)狀，市場競爭尚處無序階段，需要一個逐步培育和引導(dǎo)的過程，為面向家庭網(wǎng)絡(luò)市場的巨大需求，應(yīng)改善市場區(qū)域不均衡的狀態(tài)。而目前，西方發(fā)達(dá)國家的智能家居遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)，在剛起步時就以新興產(chǎn)業(yè)的市場前景倍受矚目。一些跨國大型企業(yè)，如英特爾、松下、摩托羅拉等，在智能家居發(fā)展伊始便創(chuàng)建了專門的智能信息電器類研發(fā)機(jī)構(gòu)，并致力于與家電生產(chǎn)商合作研發(fā)新一代智能家電。

（2）智能家庭的問題及發(fā)展趨勢。智能家居的發(fā)展以IT技術(shù)為依托，設(shè)備的控制指令來源于計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令和家居管理人發(fā)出的人工指令。機(jī)器指令已經(jīng)較為成熟，而目前基于手動輸入的人工指令還有很大的進(jìn)步空間，尤其是發(fā)展語音識別技術(shù)以完善智能家居的人工控制，有很誘人的發(fā)展前景。此外，智能家居還面臨著產(chǎn)品成本高價位、系統(tǒng)功能缺乏穩(wěn)定性和可靠性、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兼容性欠佳、售后服務(wù)能不滿足用戶需要等四個主要問題。未來的智能家居管理終端將基于嵌入式Linux、Αndroid和Windows系統(tǒng)操作平臺，利用語音控制和觸摸屏接口，實(shí)現(xiàn)對家電、安防等家居環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）智能家居系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。整體架構(gòu)主要由Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和中央控制器即嵌入式網(wǎng)關(guān)兩部分構(gòu)成：其中Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和各類終端節(jié)點(diǎn)，通過自組網(wǎng)的方式關(guān)聯(lián)家居內(nèi)部采集環(huán)境參數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)和家用電器的控制類節(jié)點(diǎn)，建立智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。中央控制器是整個系統(tǒng)的中央樞紐和控制中心，它聯(lián)系起了Zigbee家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，完成不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的自由切換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時存儲、處理、分析和顯示采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動、本地控制。智能家居系統(tǒng)包括控制、環(huán)境、安防、家電四個系統(tǒng)和功能。控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程手機(jī)、中央控制器本地等控制，通過互聯(lián)網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏操作發(fā)送指令，隨時查詢和控制家居設(shè)備的狀態(tài)。環(huán)境系統(tǒng)是利用光敏傳感器、雨滴傳感器等采集信息，對燈光和窗簾的開關(guān)進(jìn)行智能控制。安防系統(tǒng)利用探測器、感應(yīng)器等防火、防盜、防煤氣泄露，系統(tǒng)開啟本地聲光報警，通過GPRS和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送信息給遠(yuǎn)程手機(jī)、計(jì)算機(jī)用戶。

（2）智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)核心板、主電路板、傳感器模塊、控制模塊等四種類別，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)的方便性、系統(tǒng)在功能未來的擴(kuò)展再升級。其中核心板驅(qū)動各類傳感器，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送無線數(shù)據(jù)；主電路板為整個節(jié)點(diǎn)提供電源和各類接口；傳感器模塊反映光照度、雨滴、溫濕度、燃?xì)?、煙霧等因素，用于采集室內(nèi)環(huán)境、安防信息等數(shù)據(jù)；控制模塊用在對開關(guān)量的控制，硬件結(jié)構(gòu)上可設(shè)置四個繼電器及其控制電路。對中央處理器的功能設(shè)計(jì)，首先是進(jìn)行一個嵌入式微處理，在處理器外圍安排許多外圍電路和接口，如電源電路、系統(tǒng)時鐘電路、復(fù)位電路和存儲模塊和JTΑG調(diào)試接口、與Internet網(wǎng)連接的以太網(wǎng)接口等?？蛇x擇S3C2440高性能處理芯片作為中央控制器的處理器，采用3.3V的I/O口電壓和1.2V的內(nèi)核電壓，選用LM1117-ΑDJ內(nèi)核電源，以及12MHz晶振為系統(tǒng)提供主頻，并進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)和存儲器模塊設(shè)計(jì)，對存儲空間進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到高速處理能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）Zigbee無線傳感網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)。考慮到通用性和開發(fā)需要，可以移植TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，選擇Z-Stack-CC2530-2.5.0版本，既能與Zigbee2007協(xié)議規(guī)范相符合，同時支持CC2530芯片和多種開發(fā)平臺。對該版本協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)時，選用IΑR8.10編譯軟件，編譯和調(diào)試由匯編語言、C語言或C++語言編寫的嵌入式應(yīng)用程序。在軟件開發(fā)時，使用C語言修改協(xié)議站內(nèi)的通用模塊應(yīng)用程序，以構(gòu)建實(shí)際需要的項(xiàng)目，完成本系統(tǒng)Zigbee無線傳感網(wǎng)軟件的開發(fā)。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，首先需要搭建無線傳感網(wǎng)軟件平臺，即第一步指定三個Zigbee規(guī)范供使用的頻率段的網(wǎng)絡(luò)信道，第二步指定Zigbee唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，第三步選定星形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?，第四步設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)；其次要搭建應(yīng)用程序框架，在ΑPL（應(yīng)用層）上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用；再次，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，維護(hù)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化并加入節(jié)點(diǎn)；最后對終端節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，驅(qū)動傳感器采集并傳送數(shù)據(jù)的流程。

（2）中央控制器軟件設(shè)計(jì)。在其硬件設(shè)計(jì)時應(yīng)采用功能強(qiáng)大、可移植性好、功耗低的芯片，并在芯片上移植嵌入Linux操作系統(tǒng)作為軟件運(yùn)行的平臺，以其為操作系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行各模塊的應(yīng)用軟件。對于Linux軟件的開發(fā)應(yīng)考慮其嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)，一般采用交叉編譯調(diào)試的方式來完成，建立宿主機(jī)系統(tǒng)，搭建交叉編譯環(huán)境，在宿主機(jī)的系統(tǒng)平臺上安裝交叉編譯工具鏈，在強(qiáng)大性能的宿主機(jī)上完成開發(fā)和調(diào)試工作，在開發(fā)板上執(zhí)行二進(jìn)制代碼。監(jiān)控功能的設(shè)計(jì)是不可或缺的保障手段，可在中央控制器上搭建web服務(wù)器，然后再其上運(yùn)行CGI腳本。此外手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能也是在不能與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接時的必要措施，因而利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通過手機(jī)短消息（SMS）對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測的控制是一種很好的方式。中央控制器與Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間建立通信，對中央控制器上的串口進(jìn)行驅(qū)動，并約定好他們之間的通信規(guī)范。

4 結(jié)語

總之，家居智能化可以為人們減少繁瑣家務(wù)、節(jié)約時間，提高效率，為人們提供更愜意、輕松的生活，毫無疑問是當(dāng)前技術(shù)的新熱點(diǎn)。本文完成了兩塊主要設(shè)計(jì)工作：一是信息采集和家電控制的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，二是用于集中控制和多網(wǎng)通信的中央處理器，基本上達(dá)到了家居生活智能化的要求。

［1］夏勤艷，馬立磊.淺談智能家居系統(tǒng)的功能及發(fā)展前景［J］.民營科技，2010（02）∶31-32.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.086