基于ZigBee無線傳感器智能家居的設(shè)計

1、基于ZigBee無線傳感器智能家居的設(shè)計摘要：針對智能家居研究現(xiàn)狀，設(shè)計了基于ZigBee無線傳感器智能家具系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括ZigBee組建的內(nèi)部子網(wǎng)、智能家居網(wǎng)關(guān)以及移動手機(jī)終端三部分。并重點從基于ZigBee技術(shù)上闡述了控制系統(tǒng)的硬件、軟件和多家具設(shè)備無線組網(wǎng)方法。經(jīng)測試該系統(tǒng)運行良好，傳輸距離更遠(yuǎn)、功耗更低、穩(wěn)定性更高等特點。關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee;布線系統(tǒng)1 引言智能家居，又稱智能住宅，以住宅為基礎(chǔ)，將綜合布線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，安全防范技術(shù)，自動控制技術(shù)，傳感器等技術(shù)集成化，創(chuàng)造高效的住宅環(huán)境與家庭日程事務(wù)的管理等。對各種家用設(shè)備（照明、家電、安防）實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控

2、制與管理，使多個家用設(shè)備形成了聯(lián)動，為居住者提供了舒適、方便、快捷、安全的居住環(huán)境1，不斷滿足人們對智能住宅的要求，提高了人們的生活質(zhì)量，實現(xiàn)了“人在外，家就在身邊；人在家，世界就在眼前?！碑?dāng)前，網(wǎng)絡(luò)布線方式主要分為：有線布線和無線布線兩種方式。在過去主要是有線布線方式，有線布線繁瑣、成本高、移動性差、不美觀等缺點2。而無線布線方式恰恰避免了以上的缺點，但是無線布線要求技術(shù)比較高。現(xiàn)在無線組網(wǎng)方式主要有：藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，其中ZigBee技術(shù)功耗低、成本少、抗干擾能力強(qiáng)，所以本設(shè)計選用ZigBee技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線布線3。2 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理本系

3、統(tǒng)主要包括三部分：ZigBee組建的內(nèi)部子網(wǎng)、智能家居網(wǎng)關(guān)以及移動手機(jī)終端三部分。ZigBee組建的內(nèi)部子網(wǎng)有一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成。終端節(jié)點主要采集所需要的環(huán)境信息，或者與受控設(shè)備連接。將采集到的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將這些信息通過串口發(fā)送給智能家居網(wǎng)關(guān)，與上位機(jī)進(jìn)行交互。3 硬件設(shè)計本設(shè)計硬件主要使用ST公司STM32微處理器作為主控芯片、ZigBee模塊、電源模塊、按鍵顯示模塊、以太網(wǎng)模塊、GSM模塊、報警模塊等。用戶可以通過萬能遙控器或者直接控制觸摸屏控制家里用電器。3.1 ZigBee乙gBee網(wǎng)絡(luò)主要分為三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式依次

4、變復(fù)雜。根據(jù)本系統(tǒng)智能家具的特點，本設(shè)計選用星狀網(wǎng)絡(luò)。星狀網(wǎng)絡(luò)又稱主從網(wǎng)絡(luò)，一般應(yīng)用在節(jié)點較少的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，相對比較簡單。星狀網(wǎng)絡(luò)有一個全功能協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點設(shè)備組成，本系統(tǒng)重點介紹環(huán)境采集終端（溫度采集、濕度采集、PM2.5灰塵濃度采集、甲醛濃度采集等）。本設(shè)計主要使用卓萬科技有限公司開發(fā)的基于Zigbee2007/PRO協(xié)議棧的2.4GZigbee無線串口透明傳輸通信模塊。模塊基于TI高性能低功耗的2.4G射頻收發(fā)芯片CC2530及大功率低噪聲射頻前端芯片CC2591,實現(xiàn)極易使用、全透明、高穩(wěn)定、超低功耗、超遠(yuǎn)距離、超大規(guī)模Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。3.2 主控芯片在節(jié)點數(shù)量較

5、多的時候，采集信息量較大，傳輸數(shù)據(jù)也比較多，所以要求MCU的處理數(shù)據(jù)較多。本設(shè)計主要使用的是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32系列芯片，STM32是基于ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器芯片，時鐘最高可達(dá)72MHz，64KBFLASH20KBSRAM，并且低功耗特別適合智能家居使用。STM32提供了豐富的I/O接口，包括ADC、USART、I2C、SPI等。本設(shè)計在終端在環(huán)境采集模塊當(dāng)中主要使用的是ADC和I2C端口，本設(shè)計重點介紹終端節(jié)點的設(shè)計。3.3 終端節(jié)點終端節(jié)點主要是采集環(huán)境模塊主要設(shè)計的是一系列傳感器，在本次設(shè)計中溫濕度傳感器使用的是SILICONLABS生產(chǎn)的Si7020

6、-A10，Si7020溫濕度傳感器是CMOS集成電路，并且集成溫度和濕度傳感器元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號處理器和I2C接口，該芯片體積小、功耗低、精度高。本次設(shè)計重點添加了現(xiàn)在人們特別關(guān)注的灰塵PM2.5傳感器，讓居住者實時了解家中粉塵濃度，PM2.5灰塵傳感器使用的是CP2Y1010AU?；覊m傳感器通過內(nèi)部紅外二極管，輸出跟灰塵濃度成線性的電壓值，最后通過電壓值計算出空氣中的灰塵和煙塵含量。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計ZigBee設(shè)備一般分為：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，本設(shè)計采用的是星狀網(wǎng)絡(luò)，所以只存在一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點。軟件設(shè)計重點講述的是終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器。4.1.1

7、 終端節(jié)點軟件設(shè)計終端節(jié)點不僅需要采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)還要接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的控制命令，比如Si7020溫濕度傳感器將周期性采集的溫濕度信息通過ZigBee模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器，成功發(fā)送后，節(jié)點進(jìn)入睡眠模式，等到新的周期或者中斷的到來，起到低功耗效果。4.1.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器在整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用，相配地址、點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理始化后就開始組建網(wǎng)絡(luò)，處于等待數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)查詢于該事件對應(yīng)終端節(jié)點信息，向終端節(jié)點發(fā)送查詢命令，最后接受終端節(jié)點發(fā)送過來的采集信息。4.2 GSM/GPRS模塊軟件設(shè)計在基于ZigBee智能家居系統(tǒng)中，當(dāng)周圍環(huán)境指標(biāo)超過預(yù)設(shè)值的范圍后，GSM模塊就會接受ZigBee模塊報警信息，并且GSM模塊最終發(fā)送短信到用戶，實時性的通知用戶家中環(huán)境各項指標(biāo)是否正常4結(jié)論本文完成了基于ZigBee智能家居的設(shè)計，分別從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等方面分析了系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)周期性傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器然后和上位機(jī)通訊，當(dāng)環(huán)境采集超過預(yù)設(shè)范圍后GSM模塊實時發(fā)短信給用戶，實現(xiàn)了實時監(jiān)控家中的一切信息，最終實現(xiàn)了“人在外，家就在身邊；人在家，世界就在眼前?！眳⒖嘉墨I(xiàn)1張逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32單片機(jī)的無線智能家居控制系統(tǒng)J自動化技術(shù)與應(yīng)用.30（8）：98-101. 2 黃文鳳.智慧家庭中的智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.集成電