基于ZigBee和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

常赟杰，張位勇，李桂香

（湖南工學(xué)院計算機與信息科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽 421002）

基于ZigBee和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

常赟杰，張位勇，李桂香

（湖南工學(xué)院計算機與信息科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽 421002）

針對采用PC作為家庭網(wǎng)關(guān)可靠性差、體積大、成本高的缺點，提出采用ZigBee和嵌入式技術(shù)設(shè)計智能家居系統(tǒng)。各傳感器節(jié)點和家居設(shè)備使用CC2420芯片組成家庭內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)采用S3C6410芯片搭建。用戶可以通過瀏覽器或者手機客戶端遠程接入網(wǎng)關(guān)，對家居環(huán)境和家居設(shè)備進行監(jiān)控。系統(tǒng)具有低成本、低功耗、穩(wěn)定、體積小的優(yōu)點，具有良好的實用性和較高的推廣價值。

智能家居；ZigBee；CC2420；嵌入式

0 引言

智能家居系統(tǒng)將家用電器和居家設(shè)備進行組網(wǎng)，然后部署控制系統(tǒng)，進行智能化的控制。它可以為人們提供安全可靠的安保服務(wù)、更加有效的家居設(shè)備能耗管理，使人們的生活更加舒適、便利[1-2]。在智能家居組網(wǎng)方案中，ZigBee技術(shù)以低成本、低功耗、高靈活性、自組網(wǎng)等優(yōu)勢在智能家居系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前已有的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，大都采用使用PC組建家庭網(wǎng)關(guān)，這種系統(tǒng)具有成本高、體積大、可靠性差的缺點[5]。本文介紹了一個采用ZigBee傳輸數(shù)據(jù)信息和控制信息，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)，用戶遠程連接網(wǎng)關(guān)，向居家設(shè)備發(fā)送指令和控制信息，實現(xiàn)家庭智能化的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

智能家居網(wǎng)絡(luò)的總體框架如圖1所示，各個連接ZigBee無線通訊節(jié)點的傳感器節(jié)點和家居設(shè)備與Zig-Bee協(xié)調(diào)器組成了家庭內(nèi)網(wǎng)。主要節(jié)點包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器。網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心部分，用戶在遠程通過智能手機或者瀏覽器的方式查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。用戶通過智能手機或者瀏覽器接入網(wǎng)關(guān)，遠程查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對家居設(shè)備進行控制和監(jiān)視。若有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，用戶可使用4G模塊，通過PPP撥號的方式上網(wǎng)接入Internet。當(dāng)出現(xiàn)紅外、煙霧傳感器等警報信息時，網(wǎng)關(guān)自動通知用戶，并且能抓拍圖片并傳輸給用戶手機。

2 硬件模塊設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的中央處理器采用以ARM1176JZF-S內(nèi)核，主頻533MHz的嵌入式處理器芯片S3C6410。SDRAM芯片采用128MB的DDR內(nèi)存芯片，NAND Flash芯片存儲空間為1GB。4G模塊采用SIMTECH公司的SIM7100C，通過USB接口和S3C6410進行通信。網(wǎng)關(guān)的攝像頭模塊采用OV9650模塊，該模塊使用ITU的RBT-601接口，圖像格式為YcbCr4:2:2。其他外圍電路包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000AE，兩個RS-232串口、7寸LCD液晶顯示屏。整個系統(tǒng)采用5V直流供電，網(wǎng)關(guān)使用RS-232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，ZigBee協(xié)調(diào)器和各個終端組建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)使用RS-232接口連接協(xié)調(diào)器，使用RJ-45接口連接網(wǎng)絡(luò)路由器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

協(xié)調(diào)器將接收到的傳感器數(shù)據(jù)通過RS-232串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。如圖2，協(xié)調(diào)器的主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)32位MCU LM3S9B96[6]。該處理器最大主頻為80 MHz，具有256 Kbyte Flash和96 Kbyte SRAM，集成了10/100MHz以太網(wǎng)接口。協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊采用CC2420芯片。CC2420是Chip-con公司生產(chǎn)的0.18um CMOS工藝RF收發(fā)芯片，性能穩(wěn)定且功耗極低，通信可靠，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

LM3S9B96和CC2420芯片之間采用SPI連接[7]，如圖3所示。CC2420的CSn、SI、SO和SCLK的四根SPI線連接LM3S9B96芯片的相應(yīng)SPI接口PE1、PH4、PF5和PF4引腳。LM3S9B96通過這四條線對CC2420進行讀入或讀取配置信息，同時也可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。CCA管腳用來控制清除通道估計。SFD在發(fā)送或者接收完畢后開始幀后置高電平，然后繼續(xù)發(fā)送和接收后面的數(shù)據(jù)。FIFOP是接收數(shù)據(jù)包判斷，F(xiàn)IFO為數(shù)據(jù)緩存判斷引腳。當(dāng)RX FIFO中有數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO引腳上電平變高，一直到RX FIFO中數(shù)據(jù)為空時變?yōu)榈碗娖?。因此，處理器可以通過讀取FIFO引腳的電平狀態(tài)，判斷CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù)。

圖2 協(xié)調(diào)器電路

圖3 LM3S9B96和CC2420連接

家庭內(nèi)網(wǎng)的各種傳感器節(jié)點采用CC2420芯片加LM3S9B96微控器的方案。每個傳感器節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)先由I/O接口傳給LM3S9B96微控器，然后通過SPI接口發(fā)送給CC2420，最后由CC2420通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。每個模塊采用的硬件如下：

（1）溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11，該芯片內(nèi)部集成14位A/D轉(zhuǎn)換器，濕度分辨率為0.03%RH（0-100%RH范圍），溫度分辨率為0.01℃（-40-123.8℃范圍），兩線數(shù)字輸出。

（2）煙霧和煤氣傳感器都采用MQ-2芯片。MQ-2是一種電阻控制型的氣敏器件，可以檢測氫氣、甲烷、液化氣和丙烷、一氧化碳、煙霧等氣體濃度。本設(shè)計采用E-WS標(biāo)準(zhǔn)總線與ZigBee采集節(jié)點模塊進行數(shù)據(jù)交換。

（3）紅外線傳感器采用Melexis公司的MLX90614芯片，該傳感器芯片內(nèi)部集成了紅外溫度檢測芯片和信號調(diào)理ASIC，測量距離為10cm左右，采用I2C接口連接微處理器。

（4）物聯(lián)網(wǎng)燈光控制模塊通過繼電器連接CC2420芯片，該模塊接收ZigBee接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制信號，控制燈的亮滅。

（5）電動窗簾模塊通過接收ZigBee接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制信號，控制窗簾馬達實現(xiàn)相應(yīng)的動作，完成窗簾的開、關(guān)、停止動作。窗簾電機的電壓：220V，功率為45W，移動距離為20cm/s，扭矩0.8Nm，承重50Kg。

（6）智能家電控制器通過CC2420芯片連接紅外線遙控器，將接收到的協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制信號轉(zhuǎn)換為紅外指令對空調(diào)、電視機、音響和冰箱進行控制。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)文中所述，設(shè)計和實現(xiàn)如圖1所示智能家居系統(tǒng)，其中協(xié)調(diào)器，溫濕度、煙霧、煤氣、家電控制器、攝像頭以及窗簾控制器組成星型網(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果如下：

協(xié)調(diào)器上電以后就可以快速組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，感覺不到延時。所有設(shè)備都在同一個房間內(nèi)，設(shè)備之間沒有障礙物阻擋，通信距離可達20m。如果設(shè)備處于不同房間，門窗全部關(guān)閉或者是設(shè)置障礙物，則通信距離降低到10m左右，還可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷開和丟包的現(xiàn)象。傳感器節(jié)點掉電重啟后可以迅速加入網(wǎng)絡(luò)。在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器連接有幾秒鐘的延時，連接成功后，協(xié)調(diào)器可以及時響應(yīng)控制命令，設(shè)備狀態(tài)信息能正確顯示，傳感器數(shù)據(jù)采集正常，如圖4所示，視頻監(jiān)控畫面正常顯示，如圖5所示。紅外線傳感器能正確的探測到有人經(jīng)過，網(wǎng)關(guān)能調(diào)用4G模塊發(fā)送報警短信。

4 結(jié)語

本文提出了一個智能家居系統(tǒng)的設(shè)計方案，各個傳感器節(jié)點和家居設(shè)備以“CC2420芯片+LM3S9B96處理器”的方式組建家庭內(nèi)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)采用高性能嵌入式處理器S36410構(gòu)建，用戶可以通過瀏覽器或者手機客戶端接入網(wǎng)關(guān)，對家居環(huán)境和家居設(shè)備進行遠程監(jiān)測與控制。本設(shè)計采用嵌入式技術(shù)組建家庭網(wǎng)關(guān)，采用ZigBee技術(shù)組建家庭內(nèi)網(wǎng)，系統(tǒng)具有低成本、低功耗、穩(wěn)定、體積小和可以長時間連續(xù)工作的優(yōu)點，具有良好的實用性和較高的推廣價值。

圖4 溫濕度采集

圖5 視頻監(jiān)控畫面

[1]Ameena Saad A l-Sumaiti,Mohammed Hassan Ahmed,Magdy M.A.Salama.Smart Home Activities:A Literature Review[J].Electric Power Components&Systems,2014,42（3-4）：294-305.

[2]Ding D,Cooper R A,Pasquina P F,et al.Sensor Technology for Smart Homes[J].Maturitas,2011,69(2):131-136.

[3]劉歡,劉排,丁涵,等.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2015,23(14):180-182.

[4]宋玉琴,姬引飛,段俊瑞,等.基于Android和ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].西安工程大學(xué)學(xué)報,2015(4):442-446.

[5]戴建,史志才,吳飛,等.基于三層架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2016(1):114-118.

[6]LM3S9B96Microcontroller Datasheet[DB/OL].http://www.ti.com/stellaris,2010.

[7]CC2420 Datasheet rev.1.2[DB/OL].http://www.chipcon.com/files/CC2420_Data_Sheet_1_2.pdf,2004.

Design of Smart Hom e System Based on ZigBee and Embedded System

CHANG Yun-jie，ZHANGWei-yong，LIGui-xiang

（Departmentof Computer and Information Science,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421002）

The Home Gateway constructed by PC has disadvantages in reliability,size and price.Proposes the design of smarthome system based on ZigBee and embedded system.Constructs the home networks by sponsor nodes and home appliances which is equipped with CC2420 chips,and builds the home gateway by S3C6410.Users can control and monitoring the remote smart home devices by connecting the gateway through smart phone and browser.This system has the advantages of low cost,low power consumption,stable and reliable,small in size,and it isworth of promoting.

Smart Home;ZigBee;CC2420;Embedded System

1007-1423（2017）12-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.12.019

常赟杰（1980-），男，山東臨沂人，碩士，講師，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee路由協(xié)議

2017-02-09

2017-04-10

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（No.13C207）、湖南工學(xué)院科學(xué)研究項目（No.HY13004）

張位勇（1981-），男，湖南衡陽人，碩士，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、軟件工程

李桂香（1967-），女，湖南衡陽人，碩士，高級實驗師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用