嵌入式技術、網絡通信技術的發展以及人們物質生活水平不斷提高，推動了智能家居、信息家電等概念的出現。智能家居就是將室內的家電設備有機地連接在一起，使多個設備形成聯動并能夠進行信息交互[1]。ZigBee技術的發展為研究智能家居提供了基礎，本文構建了智能家居控制系統的整體框架、系統軟件平臺，實現了管理中心對家電設備節點的功能控制，從應用角度闡述了智能家居系統的現實意義。                       

    對于家庭網絡通信而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，網絡容量大，家電設備多，所以信息實時性要好，時延短，成本低。ZigBee 是一種新型無線連接技術，相對各種無線通信技術而言，ZigBee技術是功耗和成本最低的技術之一[2-3]。它能夠很好地滿足家庭網絡的需求。                                             
1 系統整體方案設計
    智能家居控制系統主要由三部分構成：中央控制器,智能終端，遠程用戶控制端。本系統主要由ARM920T內核的S3C2440微處理器、液晶觸摸屏、電源電路、電話裝置、GPRS收發模塊、ZigBee通信模塊等組成。系統總體框圖如圖1所示。此設計主要用于方便控制家電設備，未達到實時監控。

    遠程手機用戶通過發送短信或者直接觸摸與中央控制器相連接的觸摸屏，把控制家電的命令傳達給中央控制器，中央控制器再通過ZigBee模塊傳輸給智能終端，最終達到控制終端設備的目的。同時中央控制器通過GPRS模塊向遠程用戶發送設備的運行情況。當探測到有外部人員侵入或者發生火災等危急情況時，中央控制器就會通過發送短信向手機用戶報警，同時通過USB攝像頭采集圖像并進行圖像處理，最后通過彩信的形式發送給手機用戶[4]。
2 系統硬件設計
2.1 S3C2440中央控制器
    中央控制器是本系統的核心控制部分，所有控制信息的發送和接收都是通過它來完成的。中央控制器由ARM9處理器、SDRAM、Flash、供電電源和復位模塊、LCD觸摸屏和相關外圍電路組成。本設計選用三星公司生產的基于ARM920T內核的S3C2440高性價比處理器，它是一款16/32位RISC嵌入式微處理器，其主頻處理速度可高達533 MHz，它不僅具有一般嵌入式芯片所具有的SDROM控制器和總線，還具有豐富的功能擴展，內部集成了TFT/STN LCD和觸摸屏控制器、多個串口，GPRS模塊接口、以太網接口、USB接口、攝像頭接口、AC97數字音頻接口、SD&MMC存儲卡接口等大量的功能模塊，完全滿足家庭網絡的設計要求。中央控制器的主要管腳硬件連接如圖2所示。

2.2 GPRS無線通信模塊
    本系統采用SIMCOM公司生產的GPRS模塊SIM300，插入SIM卡，即插即用與中央控制器相連接。SIM300芯片是一款三頻段GSM/GPRS模塊，GPRS采用分組交換技術，支持資源共享，頻帶利用率高，數據傳輸率高，最高達171.2 kb/s。SIM300與中央控制器S3C2440的接口電路如圖3所示。
     本系統采用SP3238芯片實現電平轉換，S3C2440通過串口1控制SIM300模塊，用異步通信模式與GPRS模塊進行通信，通過SIM300模塊以AT指令的格式發送短信或者撥打電話，達到接受遠程用戶的控制命令以及向用戶匯報家電運行狀態的目的。GPRS網絡永遠在線并且按流量計費，通信成本低，因此GPRS技術應用在智能家居控制系統中是無線數據傳輸的最佳選擇。

     網絡中的協調器是整個網絡的核心,負責組網,中央控制器為此類節點,在一個智能家居控制系統中只有一個主控制器是協調器。路由器不但具有收發數據功能，還具有轉發數據的功能，部分強電供電智能終端為此類節點。智能終端只能接收數據不能轉發數據,一些低功耗家電設備采用此類節點類型。采用樹簇型網絡的優點是能夠讓終端設備降低功耗,不發送數據時,可以將處理器設置成休眠模式[2-4]。
2.3.2 ZigBee通信模塊設計
    本設計選用TI公司生產的CC2530芯片作為ZigBee組網主控芯片，每個智能家居設備都包括一個ZigBee模塊。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網絡節點。它不僅支持TI的Z-Stack協議棧，內部還集成了低功耗的8051單片機， 外圍電路包括通用I/O口、SPI口、A/D轉換接口以及串口等，接口資源豐富。CC2530的外圍電路如圖5所示。CC2530模塊通過擴展引出通用接口來支持智能終端功能的設計。

2.3.3 ZigBee抗干擾性能分析
　    ZigBee抗干擾主要是抗同頻干擾。IEEE802.15.4無線通信標準中提供了很多抗干擾性能，例如：動態信道選擇、空閑信道評估、信道算法等。通過實驗證明，正確選擇信道、增大頻偏可以減小ZigBee的干擾性。WiFi與ZigBee可以近距離(小于2 m)共存；而藍牙設備卻采用調頻技術，對網絡的干擾很小，所以兩者也能很好地共存；當ZigBee設備與微波爐的距離大于1 m時，產生的干擾可以忽略不計；家用無繩電話(2.4 GHz)可以調整與ZigBee設備的距離來減小干擾,使干擾源盡量遠離ZigBee網絡。因此ZigBee在2.4 GHz頻段能可靠地與WiFi、藍牙、微波爐以及家用無繩電話共存。           
2.4 家電控制終端
       家庭智能控制終端主要包括家電控制模塊、門禁控制模塊、燈光控制模塊、窗簾控制模塊以及安防控制模塊等。各個模塊都與各種傳感器相連接，每個控制模塊都通過ZigBee模塊與ARM9中央控制平臺實現無線連接，組成一個家庭無線智能控制網絡。
    智能家居控制系統以ZigBee網絡作為橋梁，家電控制終端與S3C2440中央控制器進行信息交互，接收控制命令和回送家電運行狀態以及發送報警信息等。智能終端節點框圖如圖6所示。

3 系統軟件設計
    本文軟件設計可以分為兩部分：中央控制器部分、智能終端平臺部分。主控平臺的軟件系統運行在中央控制器S3C2440上，采用開源的Linux操作系統，將用戶傳達的信息通過ZigBee模塊發送出去，同時接受終端平臺發送回來的反饋信息，并顯示家電的運行狀態。有異常情況發生時，能夠通過ZigBee模塊及時將信息反饋給主機，主機通過GPRS模塊向遠程用戶發送報警信息。
3.1 中央控制器與GPRS模塊通信的軟件實現
      本系統主程序流程如圖7所示，主程序運行在中央控制器S3C2440上，由許多實現相應功能的子程序組成，主要包括GPRS無線通信程序、ZigBee無線通信程序、圖像采集處理程序、各智能模塊控制程序等。ARM9與GPRS模塊的通信實際是用WindowS API函數實現RS232通信的編程，ARM9通過串口UART1控制GPRS模塊，以短信的形式與用戶進行交互信息。

3.2 終端模塊的軟件實現流程
       智能終端模塊主要是接受中央控制器通過ZigBee模塊發來的命令，同時解析命令，然后做出相應的操作，例如：啟動或關閉與之對應的電器，并將電器的運行狀態回送給中央控制器。智能終端模塊的軟件流程圖如圖8所示。

    首先系統上電后，初始化設備，即打開串口中斷、定時器中斷、各個I/O口中斷等，然后查詢UART是否收到消息（是否收到中央控制器發來的ZigBee信息），并不斷地循環檢測，檢測到信息后，對信息進行解析與處理，最后判斷用戶是要對哪個家電進行操作，還是查詢家電的運行情況。如果是查詢某個家電的運行情況，智能終端就將家電的運行狀態通過ZigBee網絡發送給中央控制器；如果用戶要對家電進行操作，首先判斷是哪個家電需要進行操作，然后判斷對該家電進行怎樣的控制，并執行相應的操作，同時把家電運行狀態反饋給中央控制器，不斷循環返回[5]。                      
    本文設計了一種基于ZigBee和GPRS技術的智能家居控制系統，給出了詳細的設計方案和系統框圖，從硬件、軟件兩方面具體闡述了本文的設計思路和實現方法。本設計采用ZigBee技術組建家庭網絡進行無線通信，很好地解決了中央控制器S3C2440與各個智能家居被控模塊之間的無線通信，避免了繁雜的布線問題，同時采用GPRS網絡實現遠程手機用戶對智能家居控制系統的遠程控制[5],給家庭生活帶來巨大的便利和安全，具有很好的實用價值，給未來智能家居控制系統的發展提供了一個方向。                     
參考文獻
[1] 周游，王普. 基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[J].電子技術應用，2009，23(9)：37-39.
[2] 張周，周劍揚.ZigBee在智能家居中的應用研究[J].工業控制計算機，2010，19(12)：7-9.
[3] 陳致遠，朱葉承.一種基于STM32的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2012，38(9)：138-140.
[4] 邵雯.基于ZigBee技術家居智能控制系統的設計[J].軟件開發與設計，2012，4(6)：69-70.
[5] 吳文忠,李萬磊.基于ARM與ZigBee的智能家居系統[J].計算機與工程設計，2011，3(5)：30-34.