基于Z i g B e e的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué) 張小飛 柴兆臣 孫崇雨

基于Z i g B e e的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué) 張小飛 柴兆臣 孫崇雨

文章采用ZigBee芯片結(jié)合相應(yīng)的傳感器來采集家居信息。實(shí)現(xiàn)各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行無線通信，利用手機(jī)來無線控制家電設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了家居生活的無線智能化控制，并具有災(zāi)害報(bào)警等功能。

智能家居；ZigBee；無線通信；傳感器

0 引言

隨著生活質(zhì)量的日益改善，人們對(duì)家居智能化的要求越來越高，各種家居設(shè)備的高度自動(dòng)化和智能化已經(jīng)成為一種消費(fèi)需求。傳統(tǒng)的家居智能控制系統(tǒng)一般采用有線方式來組建，但有線網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差，限制了有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的發(fā)展。隨著無線的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求逐漸出現(xiàn)在人們的面前，因此各種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)紛紛被制定出來。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[1]。ZigBee克服了紅外、藍(lán)牙等通信方式的拓展能力不足，以及WiFi的成本過高、功耗較大、嵌入困難等缺點(diǎn)?；赯igBee的這些特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代智能家居在控制中的需求，我們選擇了ZigBee作為智能家居中無線通信的方式，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能簡介

系統(tǒng)以STM32F103VET6為主控芯片，通過對(duì)家居生活中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)、有害氣體濃度、可燃?xì)怏w濃度、火災(zāi)信號(hào)以及一些用戶特殊要求的家居信號(hào)的采集。經(jīng)預(yù)濾波、AD轉(zhuǎn)換、非線性變換、電壓轉(zhuǎn)換比較、信號(hào)運(yùn)算等預(yù)處理之后我們?cè)賹⒌玫降臄?shù)字信號(hào)通過ZigBee射頻電路發(fā)送出去并經(jīng)指定的ZigBee模塊接收，指定ZigBee模塊接收到數(shù)據(jù)并判斷此數(shù)據(jù)類型，通過數(shù)據(jù)對(duì)比之后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、災(zāi)害報(bào)警等相應(yīng)處理。系統(tǒng)通過手機(jī)APP對(duì)家用電器實(shí)現(xiàn)智能遙控[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)由3個(gè)基本結(jié)構(gòu)組成，分別是傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收處理部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分。這三個(gè)基本結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行相互通信，構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分用來采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)、有害氣體濃度、可燃?xì)怏w濃度、火災(zāi)信號(hào)。數(shù)據(jù)接收處理部分將接收到的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分利用WiFi芯片，組成ZigBee-WiFi網(wǎng)絡(luò)中樞將ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過WiFi芯片控制ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，通過手機(jī)或上位機(jī)連接WiFi局域網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控家居信息及控制家居設(shè)備[3]。

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示：

圖1 基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)總體框圖

2.1 芯片選擇

本次設(shè)計(jì)選用TI公司推出的ZigBee射頻芯片——CC2530，具體型號(hào)為TI SOC CC2530F256，使用該芯片設(shè)計(jì)的ZigBee模塊工作在2.4GHz頻段，只需要較少的外圍器件之間的配合就可以實(shí)現(xiàn)Zig-Bee信號(hào)的收發(fā)功能[4]。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

本次設(shè)計(jì)選取PCF8591 AD/DA轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行AD/DA轉(zhuǎn)換。一是由于ADC外設(shè)的設(shè)置復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度模糊；二是減輕編程壓力，提高設(shè)計(jì)效率。PCF8591 AD/DA轉(zhuǎn)換器電路圖以及與CC2530芯片連接的引腳圖如圖2所示。

2.3 傳感器的選擇

考慮到家居環(huán)境所涉及的物理信息，本次設(shè)計(jì)選取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來采集溫濕度信號(hào)。光敏電阻器用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換?；鹧?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警及防范。

圖2 AD轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用CC2530芯片中ZigBee協(xié)議棧規(guī)范的ZigBee 2007標(biāo)準(zhǔn)，將傳感器數(shù)據(jù)的采集、射頻中斷函數(shù)、發(fā)送函數(shù)等關(guān)鍵部分的程序經(jīng)數(shù)據(jù)包配置后一數(shù)據(jù)幀數(shù)組的的形式發(fā)送給接收模塊，其中傳感器數(shù)據(jù)的采集包括溫濕度數(shù)據(jù)的讀取、AD轉(zhuǎn)換等，AD轉(zhuǎn)換部分還需要進(jìn)行I2C總線的配置。

系統(tǒng)通過手機(jī)客戶端利用WiFi改變ESP8266的IO口狀態(tài)。當(dāng)與ESP8266連接的ZigBee模塊檢測到這種改變后，通過傳送到ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的手機(jī)控制信息實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的控制[5]。在硬件設(shè)計(jì)部分說過本次設(shè)計(jì)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞是利用ESP8266的GPIO控制的功能，來對(duì)ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的家電進(jìn)行控制。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞部分的軟件流程圖如圖3所示：

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞軟件流程圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線通信技術(shù)的的智能家居智能家居控制系統(tǒng)，通過ZigBee實(shí)現(xiàn)了一種聯(lián)網(wǎng)方式，利用Zigbee模塊與具有TCP/IP協(xié)議的硬件進(jìn)行通信，組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中樞，從而實(shí)現(xiàn)利用這個(gè)中樞來控制所有的Zigbee單品。本系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)獲取家居生活中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣污染物濃度等物理信息，還可以通過傳感器進(jìn)行災(zāi)情預(yù)警報(bào)警，并通過手機(jī)控制家用電器以滿足人們對(duì)家居生活智能化，舒適化的需求。

[1]李文仲,斷朝玉 等編著．ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007．

[2]徐海峰．基于ZigBee智能家居的低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．綠色科技,2012 (6):277-279．

[3]習(xí)何朝．基于ZigBee技術(shù)的智能家居數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)[D]．大連:大連理工大學(xué),2011．

[4]Drew Gislason．Zigbee Wireless Networking[M]．Newnes Publishing，2008．

[5]安信可科技．ESP8266系列說明文檔[S]．深圳,2014．

張小飛（1990—），男，山東科技大學(xué)電子通訊與物理學(xué)院碩士研究生，研究方向：智能傳感器與信息處理。