基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居應(yīng)用研究

蘭劭暉

（聯(lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用是以人為本家居設(shè)計理念的具體體現(xiàn)。智能家居控制系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸能力的要求不高，具有低能耗和低使用成本優(yōu)勢的ZigBee無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能家居建設(shè)場景，有效解決了智能家居建設(shè)中覆蓋面積小和傳輸速率低的問題。

1 ZigBee無線通信技術(shù)概述

ZigBee無線通信技術(shù)是IEEE 802 15.4協(xié)議規(guī)定的技術(shù)代名詞，是一種低功耗、短距離以及低成本的無線通信技術(shù)。無線移動網(wǎng)絡(luò)基站能夠?qū)崿F(xiàn)通信和交流，構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，每個平臺的最大擴展距離可以達到75 m。

2 基于ZigBee的智能家居總體設(shè)計方案

設(shè)計智能家居系統(tǒng)時，應(yīng)保證在統(tǒng)一的標準下，針對各種類型信號選擇科學(xué)且合理的無線技術(shù)設(shè)計控制器[1]。本文提出一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，通過將功能控制模塊和通信模塊分開設(shè)計的方式，實現(xiàn)對各種家居設(shè)備接口的控制，利用放置在房間內(nèi)的分節(jié)點和主節(jié)點共同組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee無線通信的智能家居硬件系統(tǒng)主要由傳感模塊、通信模塊、微處理器以及電源等部分構(gòu)成，并利用CC2530實現(xiàn)功能集成。微處理器和無線通信模塊支持ZigBee通信協(xié)議和CC2530標準，采用單片機設(shè)計優(yōu)化電路。傳感器由溫度采集感應(yīng)器和濕度采集感應(yīng)器構(gòu)成，實現(xiàn)對房間內(nèi)溫濕度的監(jiān)控，并使用5 V電源供電。

3.1 CC2530

CC2530作為ZigBee無線通信技術(shù)的核心，功能強大，常用來開發(fā)功能較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，具有運行穩(wěn)定、開發(fā)成本低等諸多優(yōu)點，還能實現(xiàn)程序的內(nèi)部編寫，切換不同的運行模式，提高運行效率。CC2530系統(tǒng)由復(fù)位電路和振蕩電路等功能電路構(gòu)成，其中振蕩電路能夠依據(jù)時間周期調(diào)整電流的大小和方向。

3.2 電源電路

系統(tǒng)中的電源管理指調(diào)節(jié)和分配電源電壓，為其他模塊提供正常工作所需的電壓。因此，提升電源管理模塊的性能對整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性具有十分重要的意義[2]。此次設(shè)計需設(shè)定電壓和電流等電路基本參數(shù)，優(yōu)化電源的工作效率，實現(xiàn)抗干擾等功能。

3.3 傳感器

傳感器主要由數(shù)字溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和光敏傳感器構(gòu)成。DHT11溫濕度傳感器負責(zé)采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并輸出精準度較高的數(shù)字信號。該傳感器的核心模塊是一個電阻式感濕元件和負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）測溫元件，分別負責(zé)監(jiān)測濕度和溫度[3]。它的外部結(jié)構(gòu)能夠和單片機直接連接，提高系統(tǒng)對外部請求的響應(yīng)速度。煙霧傳感器MQ-2主要負責(zé)采集室內(nèi)煙霧信號，內(nèi)部使用電導(dǎo)率非常低的二氧化錫作為氣敏材料。系統(tǒng)利用該材料電導(dǎo)率的變化檢測氣體濃度，向微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)信號。光敏傳感器主要應(yīng)用于室內(nèi)的照明系統(tǒng)，實現(xiàn)對室內(nèi)各燈具的控制。本設(shè)計中的照明管理系統(tǒng)主要由光傳感器、繼電器以及控制開關(guān)等硬件設(shè)施構(gòu)成，其中光敏傳感器可以識別室內(nèi)環(huán)境，并將光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，控制燈具的開關(guān)。

3.4 無線通信收發(fā)器

無線通信收發(fā)器主要負責(zé)發(fā)送和接收信號。系統(tǒng)中的無線模塊由射頻（Radio Frequency，RF）內(nèi)核控制，具有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，支持ZigBee RF4CE通信協(xié)議。無線通信收發(fā)器通過外部接口連接微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和設(shè)備，搭建信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ繹4]。ZigBee無線通信技術(shù)采用的通信方式具有通信耗時短、能量消耗小以及使用成本低等優(yōu)點。該雙向性無線短距離通信技術(shù)存在數(shù)據(jù)傳輸效率較低的問題，節(jié)點之間的通信距離最大為75 m，而ZigBee可以通過組網(wǎng)采取多跳的方式實現(xiàn)遠距離通信。

3.5 人機交互界面

該系統(tǒng)的人機交互界面嵌有較完整的簡體中文字庫，能夠清晰顯示文字，且可以輸出32行不同點陣的漢字和圖形，滿足基本使用需求[5]。人機交互系統(tǒng)中的液晶顯示模塊分辨率為128×128，功耗較低。系統(tǒng)各個引腳的相關(guān)說明如表1所示。

表1 人機交互系統(tǒng)液晶顯示屏引腳

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee無線通信智能家居軟件系統(tǒng)主要由單片機軟件、上位機軟件、ZigBee無線通信模塊以及串口通信模塊等部分構(gòu)成。

4.1 單片機軟件

系統(tǒng)設(shè)計中采用C52單片機，單片機程序編寫完成后，利用專業(yè)的仿真軟件調(diào)試，調(diào)試結(jié)果符合設(shè)定的目標后，將生成的HEX文件下載至單片機中通電運行，并在系統(tǒng)硬件中展開全面測試。單片機軟件設(shè)計包含DHT11傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及光敏傳感器等[6]。軟件設(shè)計時，首先搭建單片機軟件開發(fā)平臺編寫程序代碼，并將編寫完成的代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件，其次將該執(zhí)行文件下載至系統(tǒng)節(jié)點內(nèi)部測試運行，最后調(diào)試軟件。單片機軟件設(shè)計流程如圖1所示。

4.2 ZigBee無線通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee無線通信協(xié)議的終端節(jié)點軟件設(shè)計應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息顯示、數(shù)據(jù)信息傳輸以及和無線模塊之間的相互通信。通信協(xié)議為搭建無線通信提供相應(yīng)的技術(shù)支持，為信號數(shù)據(jù)的解析提供支撐，是ZigBee無線通信的重要組成部分。ZigBee無線通信協(xié)議程序的設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 ZigBee無線通信協(xié)議設(shè)計流程

4.3 串口軟件設(shè)計

采用C++實現(xiàn)串口之間的數(shù)據(jù)通信，應(yīng)掌握串口的具體操作方法，使用Qt提供的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）通信函數(shù)完成串口通信的設(shè)計，打開串口，獲取串口句柄后，配置串口參數(shù)。

串口軟件程序中部分源代碼設(shè)計為

5 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以ZigBee無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居獲得了快速發(fā)展，很大程度上改變了人們的生活方式，提高了人們的生活品質(zhì)。