基于ZigBee技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)設(shè)計

范小嬌 馬亞紅 邢卓 師韻

摘 要：為了推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)，該文開發(fā)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)方案。該方案以物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)平臺為基礎(chǔ)，以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為載體，以家居環(huán)境監(jiān)測、家電智能控制和安防預(yù)警為目標(biāo)，將無線通信、單片機(jī)、智能控制等知識進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生通過典型案例，掌握智能家居網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基本技能和應(yīng)用。實(shí)踐教學(xué)研究證明，該實(shí)訓(xùn)方案具有很大程度的可拓展性，為學(xué)生的進(jìn)一步創(chuàng)新提供了一個開放的實(shí)驗(yàn)平臺。

關(guān)鍵詞：智能家居;ZigBee;無線通信;單片機(jī);綜合布線技術(shù);Keil 4.0

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-0-03

0 引 言

自“智慧地球”提出以來，物聯(lián)網(wǎng)的概念在全球范圍內(nèi)迅速被認(rèn)可，并成為新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，更成為了我國的五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一[1]。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生而言，掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是對現(xiàn)代應(yīng)用型本科高校學(xué)生的重要技能要求。

智能家居（Smart Home，Home Automation）是以住宅為平臺[2]，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?？梢钥闯?，智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常家居環(huán)境中的應(yīng)用，開發(fā)智能家居實(shí)訓(xùn)平臺能夠滿足學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)工程綜合訓(xùn)練的需要，便于學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)工程綜合應(yīng)用技能[3-7]。

智能家居網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上來看，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[8-9]，是由嵌入了電子元件、傳感器以及軟件的物理對象組成的網(wǎng)絡(luò)。由于應(yīng)用型本科高校側(cè)重于培養(yǎng)一線應(yīng)用型技術(shù)人才，故智能家居實(shí)訓(xùn)方案應(yīng)當(dāng)側(cè)重于感知層與網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)建與應(yīng)用。目前全國有30多個高等院校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)及智能家居的相關(guān)課程，同時著力進(jìn)行專業(yè)課程建設(shè)。但是對于不少高校而言，由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備的缺乏與不配套，使課程教學(xué)中偏重理論教學(xué)，而實(shí)踐教學(xué)不足，學(xué)生缺乏對物聯(lián)網(wǎng)整體系統(tǒng)的理解和對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等過程的直接感受，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。研究表明，只有通過與理論教學(xué)配套設(shè)計的實(shí)訓(xùn)課程訓(xùn)練，才能使學(xué)生更容易和有效地掌握物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)的知識要點(diǎn)。目前創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)得到極大的重視，相關(guān)教學(xué)研究得到了推

廣[10-13]，為加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)，本文基于物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)平臺，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的智能家居網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)方案，在完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的組成

在智能家居系統(tǒng)中，已經(jīng)普遍地將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，不僅設(shè)計中流動性、靈活性高，更節(jié)約了綜合布線的成本，非常貼合家庭網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)。在當(dāng)前眾多的無線通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、可靠性高、延時短、網(wǎng)絡(luò)安全性高和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，可工作在

2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，最高傳輸速率分別為250 Kbps，

20 Kbps和40 Kbps，傳輸距離在10～100 m。可適用于智能交通、智能家居、遙感勘測等領(lǐng)域。針對智能家居中網(wǎng)絡(luò)的需求可以看出，ZigBee技術(shù)非常適合于智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。事實(shí)上，市場上多個智能家居產(chǎn)品中都廣泛地應(yīng)用了ZigBee技術(shù)，例如北京博力恒昌科技有限公司、南京物聯(lián)傳感技術(shù)有限公司、西安紫光物聯(lián)技術(shù)有限公司等。目前，國內(nèi)可以購買到不同國家生產(chǎn)的多種ZigBee開發(fā)模塊，實(shí)訓(xùn)方案中選擇的是美國德州儀器TI公司CC2530芯片，其包括一個高性能的RF收發(fā)器，并集成了一個8051微處理器以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。適用于實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。ZigBee模塊如圖1所示。

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺由環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)、被控節(jié)點(diǎn)、安防報警節(jié)點(diǎn)和控制中心四部分組成。其中，感知節(jié)點(diǎn)包括：溫濕度感知節(jié)點(diǎn)、光照度感知節(jié)點(diǎn)、甲醛感知節(jié)點(diǎn)和CO2感知節(jié)點(diǎn);被控節(jié)點(diǎn)包括：照明節(jié)點(diǎn)、電源控制節(jié)點(diǎn)、直流電機(jī)節(jié)點(diǎn)和交流電機(jī)節(jié)點(diǎn);安防報警節(jié)點(diǎn)部分包括：天然氣檢測節(jié)點(diǎn)、人體紅外檢測節(jié)點(diǎn)和緊急報警節(jié)點(diǎn)。智能家居實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)如圖2所示。

2 實(shí)訓(xùn)方案設(shè)計

在智能家居結(jié)構(gòu)中，感知部分包括傳感器、處理器等，用于實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測。網(wǎng)絡(luò)層包括多個路由器節(jié)點(diǎn)和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;被控設(shè)備包括直流電機(jī)、交流電機(jī)、照明燈等部分，用來模擬空調(diào)、電扇、窗簾等設(shè)備;綜合控制中心和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境和設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控。實(shí)訓(xùn)方案包括建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)：由協(xié)調(diào)器發(fā)起，多個環(huán)境采集量節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)作為路由器節(jié)點(diǎn)加入構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò);實(shí)現(xiàn)智能控制：根據(jù)對應(yīng)環(huán)境采集量的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)備智能控制的功能;實(shí)現(xiàn)安防報警：根據(jù)對應(yīng)環(huán)境采集量，進(jìn)行家居環(huán)境預(yù)警，實(shí)現(xiàn)家居中環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)的信息采集、控制設(shè)備和預(yù)警設(shè)備節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的組網(wǎng)、無線信號傳輸和智能控制，是建立智能家居網(wǎng)絡(luò)的基本技能。

2.1 ZigBee組網(wǎng)

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖前循h(huán)境量采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)等設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備組網(wǎng)，形成一個ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)。要實(shí)現(xiàn)平臺上各個模塊之間或者模塊和控制中心之間的通信，多個ZigBee模塊組網(wǎng)要求如下：各個模塊的信道號、網(wǎng)絡(luò)號必須相同，且在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，允許有且只能有一個協(xié)調(diào)器，其余節(jié)點(diǎn)均為路由器或終端設(shè)備。所使用的硬件設(shè)備包括：一個或者多個環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)模塊、一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊、ZigBee模塊的連接線和PC機(jī)的連接線。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發(fā)軟件和串口調(diào)試工具等。ZigBee組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

（1）建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End-Device）的物理連接。

（2）建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要求建立一個星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：首先，給協(xié)調(diào)器上電后，設(shè)定其通信信道和PAN-ID建立無線網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到啟動網(wǎng)絡(luò)的效果;然后，各個環(huán)境采集量節(jié)點(diǎn)和被控設(shè)備等節(jié)點(diǎn)等作為終端設(shè)備加入該無線網(wǎng)絡(luò)。

（3）無線數(shù)據(jù)傳輸。加入網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送地址信息、網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過輪詢的方式接收路由器發(fā)送的信息，并將這些信息發(fā)送到上位機(jī)（PC機(jī)）上。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及現(xiàn)象：將協(xié)調(diào)器和計算機(jī)通過USB線連接起來，打開協(xié)調(diào)器的電源開關(guān)，利用ZigBee配置模塊軟件，設(shè)置為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并設(shè)定PAN-ID號和信號通道號，重啟模塊后，查看配置完成;依次將路由器模塊通過USB線和計算機(jī)連接起來，配置節(jié)點(diǎn)為路由器（Router），并配置其PAN-ID號和信號通道號與協(xié)調(diào)器的一致，完成路由器節(jié)點(diǎn)的配置。啟動Keil 4.0軟件編寫環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)程序并編譯成可執(zhí)行文件，通過JLink端口將程序燒錄至對應(yīng)的STM32控制器。最后，配置完成后，把協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接到PC機(jī)上，通過串口查看各個環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

在實(shí)訓(xùn)平臺上配置被控設(shè)備，如照明燈、直流電機(jī)、交流電機(jī)等，采用類似方法可以使之作為終端節(jié)點(diǎn)加入到已經(jīng)建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，并可以通過與協(xié)調(diào)器連接的PC機(jī)串口，查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 智能控制

圖4為家居設(shè)備智能控制圖。要實(shí)現(xiàn)家用設(shè)備的智能控制，以光照度控制照明燈為例，其工作原理為：當(dāng)室內(nèi)光照度值高于預(yù)設(shè)的高閾值時，自動關(guān)閉照明燈;當(dāng)室內(nèi)光照度值低于預(yù)設(shè)的低閾值時，自動打開照明燈。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)現(xiàn)對照明燈的智能控制，達(dá)到智能化、綠色節(jié)能的效果。

所使用的硬件設(shè)備有光照度節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)及照明節(jié)點(diǎn)。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發(fā)軟件和串口調(diào)試工具等。

以光照度控制照明為例，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）完成所涉及的光照度采集節(jié)點(diǎn)、照明節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee組網(wǎng);

（2）在照明節(jié)點(diǎn)，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的讀取、獲取和廣播;

（3）在光照度節(jié)點(diǎn)，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對廣播的照明節(jié)點(diǎn)地址的獲取，并設(shè)定高低閾值，實(shí)現(xiàn)智能控制。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及現(xiàn)象：利用ZigBee配置模塊軟件，按照實(shí)驗(yàn)的步驟和方法，完成照明節(jié)點(diǎn)、光照度節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的組網(wǎng);啟動Keil 4.0軟件編寫照明節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址讀取、獲得和廣播程序，并編譯成可執(zhí)行文件，通過JLink 端口燒錄至照明節(jié)點(diǎn)的STM32控制器;同樣地，使用Keil 4.0軟件編寫對廣播的照明節(jié)點(diǎn)的地址的獲取和完成光照度高低閾值的設(shè)定程序，并編譯成可執(zhí)行文件，通過JLink 端口燒錄至光照度節(jié)點(diǎn)的STM32控制器;通過遮蔽物和手電筒，分別使光照度傳感器采集到的信息低于和高于設(shè)定閾值，驗(yàn)證觀察照明燈的工作狀態(tài)。要求達(dá)到：當(dāng)光照度高于設(shè)定的高閾值時，自動關(guān)閉照明燈;當(dāng)室內(nèi)光照度低于設(shè)定的低閾值時，自動打開照明燈。

智能控制是在實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的實(shí)驗(yàn)，基于相同的原理，可以開發(fā)如下實(shí)訓(xùn)：溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)智能控制直流電機(jī)（模擬空調(diào)和風(fēng)扇）實(shí)驗(yàn)、光照度控制電源繼電器（模擬窗簾）和甲醛傳感節(jié)點(diǎn)智能控制交流電機(jī)（模擬空氣凈化器）。

2.3 智能家居的安防報警

圖5為家居安防報警圖。家居的安防報警是智能家居的必要組成部分，以天然氣預(yù)警為例，其工作原理為：在安防節(jié)點(diǎn)檢測到異常信息時，發(fā)出聲光報警，并向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)報告信息內(nèi)容，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過WiFi，Enternet或者4G網(wǎng)絡(luò)向用戶、物業(yè)管理部門發(fā)送報警信息。

所使用的硬件設(shè)備有安防節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。軟件包括ZigBee配置模塊軟件、ZigBee模塊開發(fā)軟件和串口調(diào)試工具等。

以天然氣報警為例，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）完成所涉及的安防報警節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee組網(wǎng);

（2）在安防報警節(jié)點(diǎn)，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對天然氣探測器信息的讀取、報警等程序的編寫;

（3）在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，編寫安防信息接收程序;

（4）上位機(jī)通過WiFi，Ethernet 或者4G網(wǎng)絡(luò)向用戶、物業(yè)管理部門發(fā)送報警信息（該步驟在本次實(shí)訓(xùn)中不作要求）。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及現(xiàn)象：利用ZigBee配置模塊軟件，按照實(shí)驗(yàn)的步驟和方法，完成安防報警節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的組網(wǎng);啟動Keil軟件編寫對天然氣探測器信息的讀取、報警等程序，并編譯成可執(zhí)行文件，通過JLink 端口燒錄至天然氣報警節(jié)點(diǎn)的STM32控制器;把協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接到PC機(jī)上，通過串口查看各個天然氣報警節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過給予天然氣檢測器觸發(fā)信號（利用打火機(jī)等方法），觀察聲光報警和串口接收到的報警信息的變化。要求達(dá)到：當(dāng)天然氣檢測器檢測到信號時，PC端接收到預(yù)警信息，并且聲光報警啟動;在未收到信息時，PC端無報警信息，且聲光報警器不啟動。

安防報警是在實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的實(shí)驗(yàn)，基于相同的原理，可以開發(fā)如下實(shí)訓(xùn)：

（1）利用緊急報警開關(guān)和ZigBee組網(wǎng)，開發(fā)在家中出現(xiàn)突發(fā)事件時，向既定用戶、相關(guān)部門報警;

（2）利用門磁、窗磁、人體紅外傳感模塊和ZigBee組網(wǎng)，開發(fā)對家居門窗安全的報警機(jī)制。

3 結(jié) 語

根據(jù)智能家居發(fā)展的需求，本文開發(fā)基于ZigBee技術(shù)的實(shí)訓(xùn)方案，以家居環(huán)境監(jiān)測、家電智能控制和安防預(yù)警為目標(biāo)，將無線通信、單片機(jī)、智能控制等有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生通過典型案例的實(shí)驗(yàn)，掌握智能家居網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基本技能和應(yīng)用。該實(shí)訓(xùn)利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備開展實(shí)踐教學(xué)，因而實(shí)驗(yàn)更具有拓展性，為學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計提供了一個開放的實(shí)驗(yàn)平臺。

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