基于ZigBee智能家居控制系統的設計

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用在智能家居控制領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢。目前智能家居控制系統主要采用的是有線(xiàn)通信方式。包括串口線(xiàn)、以太網(wǎng)、同軸電纜等。有線(xiàn)通信方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、傳輸可靠、速度快，但需要進(jìn)行大量的布線(xiàn)工作，可擴展性差，成本也高。與其他短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )以其低復雜度、低成本、低功耗等特點(diǎn)成為了組建智能家居控制網(wǎng)絡(luò )的首選方案。本文針對現有的智能家居控制系統的發(fā)展現狀，提出了一種基于ZigBee智能家居控制系統的解決方案。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee起初是由IEEE 802.15工作組提出的，并制定規范了IEEE 802.15標準。ZigBee是基于此標準規范的一種近距離、低復雜度、雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中。Zigbee技術(shù)有如下主要特點(diǎn)：

1)低功耗：ZigBee由于傳輸速率低，并且支持休眠模式，因此具有低碳節能的效果。經(jīng)測試，在低耗電休眠模式下，用2節5號干電池可支持1個(gè)功能節點(diǎn)工作最長(cháng)達24個(gè)月，由此在相同情況下，藍牙可工作1月左右，而WiFi工作時(shí)間僅有幾個(gè)小時(shí)，這是Zigbee的突出優(yōu)勢。

2)低成本：由于ZigBee標準協(xié)議的大幅簡(jiǎn)化，降低了對通信處理器的要求，僅需要8位處理器，主節點(diǎn)需要32 kB的RAM，子功能節點(diǎn)的4 kB的ROM即可，在很大程度上降低了芯片的成本費用。

3)短時(shí)延：的響應速度非?？?，從休眠狀態(tài)喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)僅需15 ms，ZigBee各節點(diǎn)連接，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

4)數據傳輸速率低：只有10k字節/秒到250k字節/秒，專(zhuān)注于低傳輸應用。

5)網(wǎng)絡(luò )容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可支持255個(gè)設備。

2 系統的總體設計

2.1 系統架構設計

智能家居控制系統的設計主要包括基于ARM處理器網(wǎng)關(guān)服務(wù)器設計、基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的組建、控制終端的設計，被控制終端節點(diǎn)的設計。系統的整體架構如圖1所示。

ARM處理器為智能家居控制系統的控制中心，智能手機和LCD觸摸屏作為控制終端，智能手機通過(guò)WiFi接入ARM控制中心，智能手機實(shí)現遠程控制，LCD觸摸屏實(shí)現本地近程

控制。ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)將被控終端組建成一個(gè)內部無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)?；贏(yíng)RM家庭內部控制中心(家庭網(wǎng)關(guān))接受來(lái)自遠程(智能手機)和本地(LCD觸摸屏)的控制指令，協(xié)調處理這些控制指令，來(lái)控制底層的家用設備。底層構建的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)覆蓋燈光控制、窗簾控制、環(huán)境參數的采集、常用家電的控制。最終實(shí)現智能手機、LCD觸摸屏通過(guò)系統控制中心能實(shí)時(shí)協(xié)調控制基于ZigBee技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )所覆蓋的常用家庭設備和采集環(huán)境參數。

2.2 系統組網(wǎng)設計

本系統是采用ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)組建的內部局域網(wǎng)絡(luò )。ZigBee定義了兩種物理設備類(lèi)型全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡(jiǎn)功能設備RFD(Reduced Function Devi ce)。FFD支持任何拓撲結構，可以充當網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Network Coordinator)，能和任何設備通信。RFD通常只用于星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，不能完成網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器功能，且只能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間不能通信。但它們的內部電路比FFD少，因此實(shí)現相對簡(jiǎn)單，也更節能。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持3種功能設備：網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Network Coordinator)、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(Network Node)及IEEE節點(diǎn)(IEEENode)。前兩種都是FFD，可以與任何節點(diǎn)通信。IEEE節點(diǎn)是RFD。

ZigBee有3種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：星型(star)、簇樹(shù)型(Cluster)和網(wǎng)狀網(wǎng)(MESH)，具體采用哪種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，應考慮家庭網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況。由于家庭電器設備分布在不同的房間，屋內墻壁等障礙物多，因此通信信號會(huì )受到干擾，在綜合成本、靈活性、可靠性等多因素的考慮，本次智能家居控制系統采用星型(Star)拓撲方式，星型(Star)拓撲具有延時(shí)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單等其他網(wǎng)絡(luò )拓撲結構沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。星型(Star)拓撲結構如圖2所示。

3 系統硬件設計

系統控制中心(ARM處理器)采用Samsung S3C2440處理器，采用外接DM9000以太網(wǎng)卡與USB WIFI模塊來(lái)接入以太網(wǎng)與WIFI網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)串口控制ZigBee協(xié)調器，同時(shí)配置了觸摸屏支持本地觸摸界面操作。被控終端子節點(diǎn)主要由ZigBee子節點(diǎn)模塊、MCU控制單元與被控終端(燈光、窗簾、家電)組成。

Atmega16單片機作為控制單元通過(guò)串口接受來(lái)自ZigBee子節點(diǎn)的控制指令并產(chǎn)生了相應的控制指令控制被控終端。ZigBee模塊的微控制器是采用TI公司的CC2530，該芯片與控制單元通過(guò)串口通信。LED調光驅動(dòng)芯片采用的是P4115，它是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，通過(guò)DIM引腳輸入占空比可調的PWM，便能輸出大小可調的橫流LED驅動(dòng)電流，最大輸出電流可達1 A，最大能夠驅動(dòng)25～30 W的LED。窗簾控制是采用步進(jìn)電機，家電控制是采用紅外方式，溫度采集是采用ZigBee內部集成的溫度傳感器。系統硬件框圖與被控子節點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

4 系統的軟件設計

4.1 服務(wù)器的設計

基于A(yíng)RM平臺的控制系統移植了Linux操作系統，因此服務(wù)器的設計是基于Linux平臺的服務(wù)器的設計。由于Linux內核代碼開(kāi)源、內核可裁剪，因此Linux成為嵌入式平臺操作系統的首先。Linux是類(lèi)Unix系統，它繼承了Unix強大的功能和極佳的穩定性，并降低了對硬件環(huán)境的要求。由于Linux的設計者重新改寫(xiě)了TCP/IP協(xié)議，因此Linux具有更為穩定和靈活的網(wǎng)絡(luò )性能。

服務(wù)器設計技術(shù)有很多，按使用的協(xié)議來(lái)分有TCP服務(wù)器和UDP服務(wù)器。按處理方式來(lái)分有迭代服務(wù)器和并發(fā)服務(wù)器。一個(gè)好的服務(wù)器，一般都是并發(fā)服務(wù)器。本系統也是設計成并發(fā)服務(wù)器。在客戶(hù)端朋艮務(wù)器模式中，將請求服務(wù)的一方稱(chēng)為客戶(hù)(client)，將提供某種服務(wù)的一方稱(chēng)為(server)。本系統就是采用的這種客戶(hù)、服務(wù)器(C/S)模式。服務(wù)器接受來(lái)自客戶(hù)端的控制指令后通過(guò)串口寫(xiě)相應的指令Zigbee協(xié)調器。服務(wù)器是應用select模型實(shí)現的TCP并發(fā)服務(wù)器，服務(wù)器軟件流程圖如圖4所示。

4.2 被控終端軟件的設計

被控終端主要由ZigBee子節點(diǎn)模塊、MCU控制單元與被控終端組成?？刂平K端發(fā)送控制指令，經(jīng)過(guò)服務(wù)器通過(guò)Zigbee協(xié)調器轉發(fā)給相應的Zigbee子節點(diǎn)。Zigbee子節點(diǎn)通過(guò)串口寫(xiě)相應的指令給Atmega16單片機，單片機分別實(shí)現特定的功能(控制燈光、家電、窗簾)?？刂平K端單片機的工作流程圖如圖5所示。

5 系統測試與分析

5.1 基于ZigBee的組網(wǎng)測試

基于ZigBee協(xié)議成功組建了一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)協(xié)調器，3個(gè)子節點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、IEEE節點(diǎn))。協(xié)調器負責組建網(wǎng)絡(luò )，子節點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )后實(shí)現與協(xié)調器之間通信。通過(guò)串口助手對協(xié)調器與網(wǎng)綹節點(diǎn)之間的數據收發(fā)進(jìn)行了測試。子節點(diǎn)接受數據時(shí)網(wǎng)絡(luò )通信方式為廣播方式，協(xié)調器每隔100 ms發(fā)送一字節數據給網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。協(xié)調器接受數據時(shí)，網(wǎng)絡(luò )通信方式為點(diǎn)播方式，節點(diǎn)每隔100 ms向網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送一字節數據。測試結果如表1所示。

5.2 系統的聯(lián)合測試

啟動(dòng)Mini2440系統板(系統控制中心)并運行服務(wù)器程序和QT界面控制程序，啟動(dòng)ZigBee協(xié)調器和子節點(diǎn)并連接與子節點(diǎn)相連接的被控終端，啟動(dòng)客戶(hù)端程序。整個(gè)系統能穩定協(xié)調運行。服務(wù)器能準確接收來(lái)自客戶(hù)端所發(fā)送的控制指令并寫(xiě)相應的指令到與Mini2440開(kāi)發(fā)板串口相連接的ZigBee協(xié)調器。

服務(wù)器運行情況如圖6所示。QT界面程序能實(shí)現對常用設備的本地控制，QT控制界面如圖7所示。主控制界面如圖7(a)所示，燈光控制界面如圖7(b)、家電控制界面如圖7(c)

所示。

6 結論

本文基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、以ARM處理器為控制中心提出了一種智能家居的整體架構和解決方案。在A(yíng)RM平臺上搭建一個(gè)并發(fā)服務(wù)器和一個(gè)QT界面程序。能協(xié)調接受來(lái)自智能手機和LCD觸摸屏發(fā)來(lái)的控制指令并且正確控制相應的被控終端。達到了智能家居控制系統控制智能、方便、可擴展性好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際測試系統比較穩定，人機界面友好，達到了設計要求。由于篇幅有限相關(guān)基于安卓平臺的客戶(hù)端程序的開(kāi)發(fā)、組網(wǎng)設計、終端設計等技術(shù)細節就沒(méi)敘述。