基于ZigBee 的嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

劉基成，田祎然，李國鋒

（牡丹江師范學(xué)院，黑龍江牡丹江，157000）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)所依靠的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的快速迭代，以及人們對(duì)生活品質(zhì)安全性、舒適性與便捷性的不斷提高。物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域。智能家居被定義為“配備計(jì)算和信息技術(shù)的住宅，它可以預(yù)測和響應(yīng)居住者的需求，通過家庭內(nèi)的技術(shù)管理來提升舒適度、便利性、安全性和娛樂性”。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居，采用無線局域網(wǎng)技術(shù)可以為各種設(shè)備提供更強(qiáng)的靈活性、流動(dòng)性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡潔性、便捷性、模塊化、開放性及獨(dú)立性的通信特點(diǎn)，表現(xiàn)為利用無線通信設(shè)備（同居住環(huán)境中的各種物品松耦合或緊耦合）將日常生活相關(guān)的各種子系統(tǒng)協(xié)調(diào)地結(jié)合在一起，并與Internet 連接起來，進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)家居智能化。因此將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能家居已經(jīng)成為主流趨勢[1]。

在智能家居系統(tǒng)中，傳感器用于監(jiān)測溫度、濕度、煤氣泄漏等一般參數(shù)。因此，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們更喜歡低數(shù)據(jù)速率、長電池壽命、不太復(fù)雜的協(xié)議作為高數(shù)據(jù)速率協(xié)議的替代方案。

ZigBee 技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于小范圍內(nèi)多節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)通信，只需要很少的能量就能以自組網(wǎng)多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此被認(rèn)為智能家居領(lǐng)域內(nèi)的熱門通信協(xié)議。并且由于Wi-Fi 技術(shù)具有傳輸速率高、建設(shè)便捷等特性，將二者在智能網(wǎng)關(guān)中結(jié)合應(yīng)用可以彌補(bǔ)ZigBee 技術(shù)只能進(jìn)行低速率傳輸?shù)娜毕?，還可以將系統(tǒng)與Internet 連接，便于用戶在遠(yuǎn)程通過支持Wi-Fi的設(shè)備控制家居設(shè)備。

本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上提出了一種智能家居體系結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了該體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，如智能網(wǎng)關(guān)和智能終端軟件等。本文提出的體系結(jié)構(gòu)具有廉價(jià)實(shí)用的特點(diǎn)。并且在智能家居管理應(yīng)用程序中運(yùn)行良好。系統(tǒng)解決了以下問題：(1)實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、舒適、便捷的房屋管理；(2)將家庭安全防護(hù)系統(tǒng)與電源控制系統(tǒng)集成在一起，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和控制；(3) 進(jìn)行節(jié)能策略控制和遠(yuǎn)程控制，必要時(shí)發(fā)出警告；(4)集成不同的通信協(xié)議如WSN 中的Zigbee、局域網(wǎng)中的TCP/IP 等。(5)數(shù)據(jù)管理，安裝了一個(gè)名為SQLite 的輕型數(shù)據(jù)庫，用于管理家庭網(wǎng)關(guān)的真實(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

1 智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)及工作流程

該系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)由控制器模塊(家庭網(wǎng)關(guān)核心)、LCD 顯示模塊、Wi-Fi 模塊、ZigBee 模塊(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)、終端家居設(shè)備(煙霧探測器、語音助手、臺(tái)燈、智能開關(guān)等)構(gòu)成[2]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息的采集節(jié)點(diǎn)和動(dòng)作的響應(yīng)節(jié)點(diǎn)，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，網(wǎng)關(guān)起著信息傳遞的作用，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ZigBee 與Wi-Fi 之間的交互通信，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息首先傳送到網(wǎng)關(guān)。遠(yuǎn)程用戶發(fā)送的信息通過Internet進(jìn)入家庭網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)設(shè)定好的控制策略發(fā)出控制指令，通過無線局域網(wǎng)傳輸給智能終端設(shè)備。為了進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與處理，協(xié)調(diào)器集成了數(shù)據(jù)庫而且將所有家居設(shè)備的狀態(tài)存儲(chǔ)在其中。此外，用戶在智能終端設(shè)備上的操作也通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)降讓觽鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)硬件電路由MCU(Microcontroller Unit)電路、Zigbee 無線傳輸模塊接口、Wi-Fi 模塊、晶振電路、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

MCU 選用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103RCT6，它是一款帶有 Cortex-M3 的低端 32 位 ARM 微處理器，具有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線來獲取指令和數(shù)據(jù)?？梢酝瑫r(shí)訪問，互不影響。這種不占用指令總線的數(shù)據(jù)訪問方式提高了系統(tǒng)的性能。STM32F103RCT6 作為系統(tǒng)的主控制器，負(fù)責(zé)處理各種任務(wù)和協(xié)調(diào)不同模塊之間的通信。電源引腳（VDD 和VSS）連接到主電源電路，提供穩(wěn)定的電源。LED模塊通過數(shù)據(jù)引腳與MCU 的GPIO 引腳連接，觸摸信號(hào)引腳（INT）連接到MCU 的中斷引腳。

本系統(tǒng)采用TI 的CC2530 芯片作為ZigBee 無線通信的核心。CC2530 使用的8051 CPU 內(nèi)核是單周期8051 兼容內(nèi)核。在串口通信模式下，將CC2530 的TXD 引腳連接到MCU 的UART 接收引腳（PA2），將CC2530 的RXD 引腳連接到MCU 的UART 發(fā)送引腳（PA3）。RESET 引腳連接到MCU 的PB12 引腳，用于復(fù)位CC2530 模塊[3]。ZigBee無線通信模塊接口電路如圖3 所示。

采用ESP8266 芯片作為 Wi-Fi 模塊控制器，ESP8266屬于串口型Wi-Fi，支持802.11 b/g/n/e/i 標(biāo)準(zhǔn)。采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。由于ESP8266 芯片已經(jīng)高度集成，使得其外圍電路設(shè)計(jì)比較簡單，只需要1 個(gè)無源晶振、1 個(gè)SPI Flash 及若干電阻、電容、電感。將ESP8266 的TXD 引腳連接到MCU 的UART 接收引腳，將ESP8266 的RXD 引腳連接到MCU 的UART 發(fā)送引腳。

3 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，家庭網(wǎng)關(guān)作為建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器發(fā)揮著重要作用。通常情況下，家庭網(wǎng)關(guān)接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，將其轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。Zigbee 協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層和應(yīng)用層，每一層為上一層提供服務(wù)。采集節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)打包成Zigbee 幀形式，并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)通過物理介質(zhì)進(jìn)入網(wǎng)關(guān)后，首先經(jīng)過Zigbee 協(xié)議棧的解封裝過程，得到原始數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)可以利用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理。隨后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP 協(xié)議的封裝，通過USB 接口與Wi-Fi 通信模塊相連接[4]。Wi-Fi 網(wǎng)卡通過AP 路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎i-Fi 網(wǎng)絡(luò)中，并通過AP 路由器接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet 的連接。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能，數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)包括前導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息和校驗(yàn)等部分。其中，數(shù)據(jù)信息字段進(jìn)一步劃分為方向位、功能類型和數(shù)據(jù)。方向位分為上行和下行兩種情況，上行傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，下行傳輸控制命令。

■3.1 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將一個(gè)協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，連接所有的終端設(shè)備。這種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于設(shè)備數(shù)量較少且分布范圍不大的小規(guī)模智能家居系統(tǒng)。由于通信距離較遠(yuǎn)，可以確保各個(gè)設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間的穩(wěn)定通信。然而，如果協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，則整個(gè)系統(tǒng)將失去功能。

Zigbee 協(xié)議定義了協(xié)議的 PHY 層和 MAC 層。本設(shè)計(jì)模塊采用TI 的CC2530 作為主芯片。它基于 Z-stack 協(xié)議棧。ZStack 協(xié)議棧對(duì)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的每一層進(jìn)行封裝，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)具體的功能，并為用戶提供API 編程接口。

因?yàn)閆igBee 無線網(wǎng)絡(luò)是由事前被定義為協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)來建立的，所以協(xié)調(diào)器軟件程序的設(shè)計(jì)是ZigBee 組網(wǎng)的核心。主要負(fù)責(zé)建立和管理 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，通過串口實(shí)現(xiàn)與客戶端的信息傳輸，如終端節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、命令解析等。網(wǎng)絡(luò)建立的過程如圖4 所示。具體步驟如下：(1)初始化協(xié)議棧。(2)創(chuàng)建協(xié)調(diào)器，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有唯一的協(xié)調(diào)器，初始化PAN 協(xié)調(diào)器的操作在事先設(shè)定好的設(shè)備上進(jìn)行。(3)選擇PAN ID 和協(xié)調(diào)器的短地址，PAN ID 通過偵聽其他網(wǎng)絡(luò)的ID 然后選擇一個(gè)不會(huì)沖突的ID 來獲取，每個(gè)PAN 協(xié)調(diào)器都已經(jīng)有一個(gè)64 位固定的MAC 地址，但是作為組網(wǎng)的標(biāo)識(shí)，還必須分配給自己一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，即短地址，通常被定義為0x0000。(4)選擇射頻頻率通道，PAN 協(xié)調(diào)器進(jìn)行一次能量掃描來找到一個(gè)相對(duì)空閑的通道，并以此建立網(wǎng)絡(luò)[5]。

圖4 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)建立過程

協(xié)調(diào)器的主要功能是對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)控終端下達(dá)的測控信息通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要監(jiān)控的子節(jié)點(diǎn)，接收各子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并將信息發(fā)回給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備軟件流程如圖5 所示。

圖5 協(xié)調(diào)器軟件流程

網(wǎng)絡(luò)組建成功后，PAN 協(xié)調(diào)器設(shè)備將開放對(duì)應(yīng)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求應(yīng)答，在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，還要配置網(wǎng)絡(luò)的最大深度、最大路由設(shè)備個(gè)數(shù)以及最多的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，以便在子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)用，在應(yīng)用程序中，通過eEventId 的值來確定網(wǎng)絡(luò)是否已被啟動(dòng)[6]。

一個(gè)設(shè)備如果需要加入網(wǎng)絡(luò)，首先要完成自己的初始化過程，然后進(jìn)行通道掃描，它將在特定的頻率通道中發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器檢測到信標(biāo)請(qǐng)求后，將回應(yīng)相應(yīng)的信標(biāo)請(qǐng)求來標(biāo)識(shí)自己。網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)PAN 協(xié)調(diào)器和至少一個(gè)子節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

■3.2 Wi-Fi 模塊軟件程序設(shè)計(jì)

Wi-Fi 模塊用于Wi-Fi 模塊中的數(shù)據(jù)收發(fā)，支持三種通信模式：AP 模式、STA 模式、AP+STA 模式。本文將其配置成AP 組網(wǎng)方式，通過無線路由與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù).

(1)Wi-Fi 模塊上電后，初始化硬件和軟件；(2)設(shè)置Wi-Fi 模塊的參數(shù)，包括Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)名稱和密碼，連接超時(shí)的時(shí)間，多連接的設(shè)置；(3)判斷網(wǎng)絡(luò)中是否有客戶端連接。如果連接成功，可以在輸入正確的密碼后發(fā)送數(shù)據(jù)或接收命令。如果連接不成功，判斷其他客戶端的訪問。

■3.3 嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite 的實(shí)現(xiàn)

SQLite是一種輕量級(jí)的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它被設(shè)計(jì)為無服務(wù)器、零配置的數(shù)據(jù)庫引擎，意味著它不需要單獨(dú)的服務(wù)器進(jìn)程或配置來運(yùn)行。SQLite 非常小巧，核心庫的大小通常不超過幾百KB（根據(jù)編譯選項(xiàng)和版本而定）。SQLite 的使用非常簡單，只需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件即可開始存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)，無須繁瑣的配置過程，SQLite 可以在處理器速度較慢、內(nèi)存容量有限的設(shè)備上運(yùn)行，同時(shí)不占用大量存儲(chǔ)空間和系統(tǒng)資源，這使得SQLite 成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的數(shù)據(jù)庫解決方案[7]。

SQLite 數(shù)據(jù)庫的編譯主要有以下步驟：(1)獲取SQLite源代碼，從SQLite 官方網(wǎng)站下載最新版本的SQLite 源代碼，并解壓到本地目錄；(2)配置交叉編譯環(huán)境：確保已經(jīng)安裝適用于ARM-Linux 的交叉編譯工具鏈，并將其添加到環(huán)境變量中。(3)配置SQLite 編譯參數(shù)：進(jìn)入SQLite 源代碼目錄，在命令行中執(zhí)行以下命令：配置SQLite 編譯參數(shù)：進(jìn)入SQLite 源代碼目錄，在命令行中執(zhí)行以下命令：./configure --host=arm-linux --prefix=/path/to/install。(4)在命令行中執(zhí)行以下命令進(jìn)行編譯和安裝：

(5)移植到目標(biāo)ARM-Linux 系統(tǒng)：將安裝好的SQLite庫文件和頭文件拷貝到目標(biāo)ARM-Linux系統(tǒng)中的相應(yīng)位置。通常，庫文件應(yīng)該被放置在/lib 或/usr/lib 目錄下，頭文件應(yīng)該被放置在/include 目錄下。(6)在應(yīng)用程序中使用SQLite：在ARM-Linux 平臺(tái)上開發(fā)的應(yīng)用程序中，可以使用SQLite 的API 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。確保在應(yīng)用程序中鏈接SQLite 庫文件，并包含正確的頭文件。

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證該Wi-Fi—Zigbee 網(wǎng)關(guān)的性能，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)以測試兩組性能指標(biāo)：(1) 在無障礙物和干擾狀態(tài)下，距離增加時(shí)數(shù)據(jù)丟包率和響應(yīng)時(shí)間的變化情況；(2) 在有障礙物情況下，分別測試了多組數(shù)據(jù)，在不同傳輸距離下丟包率和響應(yīng)時(shí)間的性能變化。測試圖如圖6 所示。

圖6 三種網(wǎng)關(guān)在不同環(huán)境下的測試圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無障礙物傳輸距離不超過50m 的情況下，Wi-Fi—Zigbee 網(wǎng)關(guān)相比Wi-Fi—藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)具有明顯優(yōu)勢。隨著傳輸距離的增加，丟包率穩(wěn)定在約3%左右，相較于有線網(wǎng)關(guān)高出約2%左右，而響應(yīng)時(shí)間波動(dòng)在1ms 以內(nèi)。這足以滿足正常家居環(huán)境的通信需求，并且其接收功率較低，非常適合家庭使用。

在有障礙物和干擾的情況下，Wi-Fi—Zigbee 網(wǎng)關(guān)的丟包率和響應(yīng)時(shí)間略高于有線網(wǎng)關(guān)，但遠(yuǎn)優(yōu)于Wi-Fi—藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。這意味著Wi-Fi—Zigbee 網(wǎng)關(guān)在面對(duì)有障礙物和干擾的復(fù)雜環(huán)境時(shí)表現(xiàn)良好，具有較好的穩(wěn)定性和性能。

因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了Wi-Fi—Zigbee 網(wǎng)關(guān)在智能家居系統(tǒng)中的優(yōu)勢，尤其在無障礙物傳輸距離較短的情況下表現(xiàn)出色。它能夠穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)并具有較低的接收功率。即使在有障礙物和干擾的情況下，它仍然比有線網(wǎng)關(guān)效果稍差，但明顯優(yōu)于Wi-Fi—藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。

5 結(jié)語

考慮到人們對(duì)智能家居的新需求和以往智能家居系統(tǒng)集成度不高的問題，本文提出了一種較為先進(jìn)的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方案，將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)不同模塊逐一闡述，以低價(jià)高性能STM32 處理器為主控制器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的Wi-Fi 模塊用來連接本地與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。以 ZigBee 和Wi-Fi 為主構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)各層次的連接提供了便捷的平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有很好的通用性、通信傳輸性能穩(wěn)定優(yōu)良，使得用戶能高效地控制智能家居設(shè)備。