摘 要： 設計了一種基于無線傳感網的智能家居控制系統。該系統采用ZigBee無線傳感技術將家庭生活中的相關電子設備連接在一起，有效克服了傳統家居控制系統的電纜布線通信方式的諸多缺點。同時，ZigBee無線傳感網相對其他無線傳感技術具備很好的適應性。新型CC2530無線芯片與設計的節點外圍控制電路可以很好地實現設備節點間數據的互通互聯，結合系統中語音控制技術，形成高效的智能化交互控制平臺。
關鍵詞： 智能家居；無線傳感網；CC2530；語音識別
智能家居是利用先進的計算機嵌入式芯片、數據網絡通信技術、通信線路布線技術，并參照人體工程學原理以及充分融合大眾用戶的個性需求，將與日常家庭生活密切相關的電子設備、電器以及其他生活設施緊密地連接在一起，如電視、空調、洗衣機、照明燈具、室內窗簾、家庭環境傳感器和安防監控設備等[1]。通過網絡化綜合智能控制和管理，使得用戶能夠享受現代科技帶來智能化的全新家居生活體驗。
本文基于ZigBee無線通信技術，研究并設計出了一套完整的智能家居系統。系統中，各種家庭生活設備的電氣和環境傳感器通過ZigBee無線傳感網進行有效整合，設備控制節點采用TI公司生產的CC2530芯片。它使用一顆增強型8051內核，用于控制數據處理與轉發，通信模塊采用了魯棒性很強的射頻天線，具有傳輸距離較遠，傳輸速率穩定等特點[2]。整個系統包括控制平臺、無線傳感網協調器和設備子點。系統的控制命令由控制平臺發出，通過無線傳感網協調器發送給各個子節點，實現對家用設備的控制。家居環境中的環境傳感器（如溫度、人體脈搏）的傳感數據可以由無線傳感網傳輸到控制平臺進行顯示和管理。系統較好地將家居環境中的各個模塊有機地統一管理。圖1為智能家居系統的功能架構。
1 智能家居系統的無線傳感網絡
本系統ZigBee無線傳感網絡整體結構由主協調器（主節點）和若干設備子節點組成。主節點用于整個無線傳感網的建構、信息的接收轉發和路由信息的管理[3]。主節點和系統控制平臺連接，通過串口通信和PC進行數據交換，實現數據的上傳和控制命令的發送。子節點和各家用設備連接在一起，對設備進行管理。
1.1 ZigBee無線傳感技術
ZigBee協議棧從結構上可分為4層，從下往上依次為：物理層（PHY）、介質控制子層（MAC）、網絡層和應用層[4]。位于最底層的物理層（PHY）和介質控制子層（MAC）由IEEE 802.15.4標準定義[5]；網絡層和應用層的協議由ZigBee聯盟組織在IEEE 802.15.4標準基礎上設計制定[6]。ZigBee的傳輸距離通常在10~100 m的范圍內，實際使用中會依據選用通信天線的功率大小和環境障礙物的情況而不同，最新的CC2530芯片由于性能提高和功率的增強，在無障礙情況下其節點間的通信距離最高可達1.6 km[7]。ZigBee技術憑借其低功耗、網絡大容量節點數、適中的通信半徑、適中的數據傳輸速率等顯著特征在智能家居系統的應用中具有無法替代的技術優勢。
1.2 網絡拓撲結構設計
ZigBee無線網絡的網絡拓補結構有很多種，主要有星形結構、樹形結構和網狀結構3種[8]。考慮到無線網絡的拓撲結構會直接影響系統的很多方面，例如無線傳感網的鋪設代價、網絡的運行維護難度、系統運行的傳輸速率以及穩定性等，因此，需要根據具體需求來設計網絡的架構。本系統選用樹形結構作為家居設備節點的網絡架構。
樹形網絡連接方式如圖2所示。樹形結構的網絡連接方式是在星形結構基礎上進一步拓展起來的，樹形結構中設計了轉發節點，如圖中灰色節點所示。主節點（即中心節點）和各子節點間的通信要依靠轉發節點的中繼，每個轉發節點和它對應葉子節點構成一個子星形拓撲結構。主節點向樹葉子節點的數據均分發給子星形結構中灰色轉發節點。
樹形結構中，轉發節點負責數據路由轉發功能，通常為全功能的網絡協調器，對設備的配置、功耗等因素要求較高。同時，其他子節點只需要采用相對簡化的設備配置就可以了，這可以很大程度上減少系統的鋪設成本以及運行功耗，降低維護的難度，提高電源設備的續航時間等，實際使用中具備很多優點。樹形網絡結構可以降低網絡結構復雜度、降低系統功耗，樹形結構同時具備星形結構的諸多特點，可以通過添加子節點來擴大系統中設備容量，實現方便快捷。
2 智能家居系統硬件結構
智能家居系統中，設備節點的設計基于無線傳輸模塊，基板選用深圳鼎泰克電子有限公司的一款串口轉ZigBee無線遠距傳輸模塊。該模塊將CC2530芯片和其他外部器件（包括鞭狀天線）集成到一塊小型的PCB板上，使用獨立電源供電。由于ZigBee協議工作的低功耗特性，普通電池可以維持整個模塊的長時間工作。下面對主節點和部分子節點模塊的設計進行介紹。
2.1 系統主節點模塊
主節點模塊在系統中承擔協調器的角色，維護著整體無線傳感網絡的運行，負責網絡的組建、無線路由信息的維護，將收集的數據通過串口發送至PC控制端，同時將控制端的命令轉發至各個系統設備子節點實現對家庭設備的控制管理。主節點模塊主要包括：CC2530無線傳感芯片、串口通信MAX232芯片、外部硬件電路部分以及供電模塊。MAX232芯片作為信號轉換接口，將CC2530無線傳感芯片的TTL電平數據信號轉換為PC的COM串口通信RS-232數據信號。主節點模塊的架構設計圖如圖3所示。
CC2530無線傳感芯片的工作電壓為+3.3 V，MAX232芯片的供電為+5 V。節點模塊的外部供電電源為+9 V電池電源。為了進行電壓轉換，電路設計中使用AMS1117芯片分別對電源電壓進行+5 V和+3.3 V穩壓轉換，AMS1117穩壓轉換芯片靈敏度高、性能穩定，可以確保節點電路的供電工作穩定持續。添加穩壓器可以有效地避免電源不穩對電路工作狀態的影響。圖4為主節點模塊的電路設計圖。
溫度監測子節點模塊中，兩個主要的工作芯片是CC2530和DS18B20。由于CC2530芯片和DS18B20傳感器工作電壓和供電電源會存在差異，子節點電路設計中同樣使用穩壓芯片ASM1117對供電電源進行穩壓轉換，為電路中的芯片提供穩定的工作電壓。
2.3 電器控制節點模塊
家庭環境中，大量的家用電器需要人工操作控制，如家電的開關、換擋等基本的操作。傳統生活模式中，這些操作的開關控制器件通常安放在房間的固定位置。實際生活中，由于種種原因，老人、孩子、殘疾人在面對這類家電開關時會遇到種種不便，甚至可能造成一些潛在的安全風險。為了解決這類問題，系統對家庭電器設備的控制統一采用一種新型的便捷控制方式，利用語音識別技術和繼電器來實現對家電的快捷操作，它克服了特殊人群在家居生活中的種種困擾，靈活且高效。
家電控制子節點中，CC2530芯片會控制I/O輸出命令對家電的高壓點開關進行控制，完成電器的電源開閉。該設計要求子節點模塊能夠將電路的弱電模塊與電器高壓電路完全隔離開來，以確保家居環境的人身安全。因此，在家電控制中，如何通過子節點模塊的弱電電路來安全控制家電強電電路是問題的要點。本系統通過電磁繼電器來解決，將電磁繼電器的觸點和家電強電源連接，通過CC2530輸出命令控制繼電器的觸點閉合來實現對家電電源的安全控制。圖6為電器子節點電路設計原理圖。
根據圖6所示原理，控制芯片10號引腳設置為信號輸出端，當該引腳設置為高電平時，會使得三極管T1瞬間飽和，進而導通電流，電流流經電阻R2后會拉低T2的基極，這樣三極管T2也會瞬間飽和導通，從而使得電磁繼電器獲得足夠的工作電壓開始工作，電磁繼電器產生的磁力使得家庭電器的220 V電路閉合導通，電器供電開始工作。
3 系統的軟件設計
智能家居系統中軟件部分的開發主要涉及兩方面，一是無線傳感網節點模塊的嵌入式控制程序，二是控制平臺軟件。節點控制程序使用IAR Embedded Workbench集成開發環境進行設計和開發。系統控制平臺軟件采用微軟公司的Visual C++ 2005開發平臺進行軟件流程代碼的設計開發。
3.1 系統控制平臺軟件
系統控制平臺軟件主要用于同無線傳感網通信，收集傳感網中采集的溫度和心電數據，并且將控制命令通過無線傳感網發送出去，例如控制家電開關。系統控制平臺軟件主要部分為串口通信模塊，串口模塊連接傳感網的主節點，主節點接收到子節點的轉發數據后會通過串口通信將數據轉發至PC，供家庭成員查看。家庭成員可以通過語音命令向控制平臺發送命令，命令通過串口發送到主節點再轉發至目標子節點，控制相關電器操作。圖7為系統控制平臺軟件的結構流程圖。
系統在控制平臺軟件中增加了語音識別模塊，用于控制命令的發送。語音識別模塊可以將操縱者的語音控制命令轉化為系統可識別的指令，轉發至系統中家電設備的子節點，進而可以控制家用電器的開關動作。語音識別模塊使用微軟開發的語音開發包Microsoft Speech SDK5.1作為語音基礎庫。Microsoft Speech SDK5.1中提供了一系列語音識別函數接口SAPI，系統直接調用這些接口函數進行語音識別流程的建立。
3.2 節點嵌入式程序
本系統ZigBee無線傳感網的正常運行，要求在CC2530的嵌入式程序中必須植入ZigBee無線網絡協議。在IAR開發環境中添加ZigBee協議棧的源程序，編譯后的可執行文件中即可支持無線傳感功能。系統使用精簡的ZigBee協議棧作為節點路由協議的基礎。系統中設備節點嵌入式程序運行在CC2530無線傳感芯片上，IEW開發環境可以針對CC2530進行程序平臺搭建，包括無線通信網絡協議棧的建立、芯片寄存器的相關設置、操作函數接口的預留等。節點中的嵌入式程序只需要完成網絡組建、溫度心電等參數的采集、數據預處理、數據轉發、家電開關命令的發送以及與控制平臺的串口通信等。
系統交叉編譯完成之后，通過仿真器將可執行文件燒寫到對應節點模塊的CC2530芯片中，包括主節點、路由器和子節點等。系統所有設備上電復位后，由主節點負責與子節點進行校對應答，建立起整個無線網絡的架構，維護相關的連接信息，以及與PC控制平臺進行串口通信等。主節點建立網絡的工作流程為：首先調用系統初始化函數aplFormNetwork（）格式化新的網絡空間，并等待格式化工作的完成，緊接著主節點會監聽子節點發出的加入網絡的信號，依次將通信范圍內的子節點加入無線網絡中，完成路由表的維護，網絡建立就完成了。
本文設計的智能家居系統充分融合了目前市場上成熟可靠的CC2530無線芯片和高性能的溫度傳感芯片，設計了性能完善的心電信號采集模塊，將語音識別技術加入控制平臺中，最后形成一套新型智能家居系統方案。家居環境中該系統可以給人們生活帶來極大的便利。
參考文獻
[1] 肖海濤.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[D].成都：電子科技大學，2008.
[2] 韓雙雙.基于ZigBee無線網絡的智能家居系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2009.
[3] 趙虹鈞. 基于ZigBee技術的智能家居系統的設計[D].上海：上海交通大學，2007.
[4] 李勁，程紹艷，李佳林，等. 基于ZigBee技術的無線數據采集網絡[J].測控技術，2007，21（8）：63-65.
[5] 顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用，2005，31（9）：32-35.
[6] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003（7）：33-35.
[7] EREN H， FADIZL E. Technical challenges for wireless instrument networks-A case study with ZigBee[C]. IEEE Sensors Applications Symposium， San Diego， California，USA， 2007：1-6.
[8] IEEE 802.15.4，ZigBee Specification[S].2004.