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基于ZigBee技術的智能家居系統研究與設計

2014年微型機與應用第16期

閆偉，郝衛東，陳志丹，李君，鄧子信

桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004

摘要： 了ZigBee無線通信技術和家庭網絡的特點，介紹了一種利用ZigBee技術無線組網的智能家居系統，重點闡述了ZigBee的組網方式、節點之間自動控制的實現、數據的采集和傳輸。

關鍵詞： 智能家居 ZigBee 組網物聯網

Abstract：

Key words :

　　摘要：分析了ZigBee無線通信技術和家庭網絡的特點，介紹了一種利用ZigBee技術無線組網的智能家居系統，重點闡述了ZigBee的組網方式、節點之間自動控制的實現、數據的采集和傳輸。

　　關鍵詞：智能家居；ZigBee；組網

　　作為物聯網的應用，智能家居是信息領域的關注熱點。智能家居利用傳感器技術、計算機技術和通信技術等實現對家庭中的通信設備、電器的信息交換和控制。同時可以通過傳感器的應用來采集和傳輸居住環境的溫度、濕度等。在特殊情況下可以實現控制節點之間的信息自發傳輸和控制。人們可以通過互聯網遠程觀測和控制居住環境的溫度、濕度、電器狀態。盡管智能家居的概念出現了很多年，但受制于通信技術和應用方面的發展緩慢，智能家居的實用化和產業規模一直沒有突破。隨著ZigBee無線通信的發展，智能家居不再受控于傳統布線和標準不一的限制，在未來不久會加速走進人們的生活。ZigBee無線模塊可以安裝在照明設備、空調系統、遙控裝置上實現對家庭電器的控制。同時ZigBee還可以通過終端設備采集居住環境的各種信息并上傳到服務器，實現對居住環境的監測。通過對居住環境的信息設定閾值，可以對家庭電器實現自發控制。基于ZigBee的智能家居提供了網絡化、智能化、安全化的居住環境。

1 ZigBee技術概述及其特點

　　1.1 ZigBee技術概述

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗的個域網協議。ZigBee技術是基于這個協議的短距離、低功耗的無線通信技術[1]。ZigBee的協議分為兩部分：IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質訪問層）的技術規范；ZigBee聯盟定義了NWK(網絡層)、APS（應用程序支持子層）、APL（應用層）的技術規范[2]。ZigBee協議將各個層的定義集合在一起，以函數的形式實現，為用戶提供API調用。

　　1.2 ZigBee技術的特點

　　ZigBee采用無線連接的方式，可以工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3個頻段上，最高傳輸速率可以達到250 kb/s[1]，它的傳輸距離在110 m的范圍內,但通過組網方式可以繼續增加距離。每個ZigBee節點最多可以和65 000個無線模塊組網，這對于智能家居控制節點的范圍來說是足夠的。作為一種無線通信技術，ZigBee具有功耗低、可靠性高、組網功能強大、安全性高的特點。

　　ZigBee主要適合應用在自動控制和遠程控制領域。它可以嵌入各種設備[3]，在智能家居中實現控制節點的無線組網，避免了智能家居采用傳統布線所帶來的問題，使智能家居的實用化和規范化成為可能。

2 基于ZigBee智能家居設計方案

　　2.1 傳統的智能家居系統

　　國外最早開始研究智能家居始于20世紀70年代，第一個智能家居的實現是美國對一座舊體大樓進行改造，通過計算機實現了對照明系統和電梯的控制。我國的智能家居研究起步比較晚，迄今為止也就8～9年的時間。傳統的智能家居采用有線的方式，不僅要求專業人員施工、專門公司維護，而且施工周期長、費用高、維護維修難、系統靈活性差、擴展能力低，智能家居系統建成之后用戶根本無法更新升級。

　　2.2 基于ZigBee的智能家居系統設計方案

　　基于ZigBee的智能家居系統結構如圖1所示，中央控制系統（Cortex A8）通過無線網絡(ZigBee)控制智能燈光模塊、智能溫度模塊、智能煙霧模塊、智能RFID模塊、智能報警模塊（蜂鳴器，未畫在框圖中）等多個功能模塊。在中央控制單元可以通過Qt界面實時顯示智能家居內部各模塊實時狀態，如溫度、LED燈亮滅、煙霧狀態等。嵌入式數據庫SQLite保存LED燈、溫度、煙霧等狀態信息以及RFID門禁記錄。遠程客戶端可以通過應用Web/CGI形式通過瀏覽器實時查詢智能家居內部信息（LED燈、溫度、煙霧等），也可以把家居內部信息定時上報給手機客戶端。

　　2.2.1 家庭網絡

　　家庭網絡通過1個ZigBee協調器和4個ZigBee節點通過無線組網方式連接。4個節點將采集到的信息轉發給ZigBee協調器，節點之間不相互通信。每個ZigBee對應一個16位的短地址，ZigBee可以根據地址來確定是哪一個節點傳輸過來的信息。同時協調器可以將發過來的信息通過串口傳輸給中央控制系統；反過來中央控制系統也可以通過串口給協調器發送數據，數據會傳輸到指定的節點從而控制相應的電器（如LED燈）。

　　2.2.2 家庭網關

　　家庭網絡和外部網絡的通信是通過家庭網關來實現的，從而實現了遠程觀測和控制，主要考慮通過Internet和手機網絡接入。實際上本系統主要采用ARM芯片和外圍模塊充當網關。通過移植uboot→移植Linux內核→移植Linux根文件系統來進行基本開發環境的搭建。

　　Web服務器的搭建可以在此基礎上進行BOA移植并簡單地配置。通過編寫HTML文件和CGI程序實現遠程訪問服務器。用戶通過瀏覽器地址欄添加訪問并回車觸發這個申請，Web服務器接收到這個申請并讀取相應的HTML文件送回瀏覽器，返回的是控制界面，通過提交表單調用CGI程序來實現對數據庫的查詢和相應節點的控制。

3 ZigBee智能家居無線網絡設計方案

　　作為智能家居的重要組成部分，ZigBee一方面將各個節點的信息通過協調器傳送給家庭網關，從而方便用戶通過瀏覽器來遠程查看；另一方面，ZigBee協調器要能接收到網關傳輸過來的信息并發送給特定的節點，從而允許用戶可以遠程控制相應的電器。

　　3.1 ZigBee網絡節點硬件設計方案

　　網絡節點分為采集節點和主控節點（也稱協調器）。采集節點將采集的數據實時發送給主控節點。主控節點接收采集節點的數據并發送命令控制室內設備。

　　節點采用TI推出的CC2530模塊，其系統框圖如圖2所示，通過串口與主控節點通信，所有節點受主控端節點控制。

　　主控節點電路分別由CC2530模塊、復位鍵、開關鍵、一個標準串口、網絡狀態指示燈、開關指示燈和6個設備指示燈組成，底板為雙層玻纖板，采用兩節5號電池供電。主控節點硬件框圖如圖3所示。

　　3.2 ZigBee無線網絡軟件設計方案

　　ZigBee組網方式有三種，分別是樹狀、星狀和網狀[4]。每種組網方式都至少需要一個ZigBee協調器[5]。本文采用星狀組網方式。需要在ZigBee協議棧的應用層進行相應的修改，這里使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協議棧，然后根據節點的類型選擇下載到采集節點或主控節點。采集節點的軟件設計如圖4所示，控制節點如圖5所示。