王 超，高 峰，姜 洋(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

現(xiàn)代科技的發(fā)展驅(qū)使人們尋求更加簡便更加快捷的生活方式。運用Zigbee技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可將家中所有的可控部件集中在一個觸屏控制板上進行控制，所用的Zigbee是一種高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站，支持無限擴展。同時，Zigbee具有低功耗、低成本、抗干擾、易組網(wǎng)的優(yōu)點[1]。筆者基于具有Zigbee無線傳輸技術(shù)的CC2430和STM32芯片，通過觸摸屏控制板實現(xiàn)對家里的安防報警、室內(nèi)溫度和照明燈具、家用電器的控制。因為系統(tǒng)由自己開發(fā)，具有可擴展性和個性化，控制方便，更加貼近用戶需求等特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。具有顯示控制功能的中央控制板采用具有高性能、低功耗的特點，而且不用外加射頻功放通信距離就可達到百米左右的STM32W108芯片(內(nèi)置128Kb FLASH和8KB SRAM它同時支持人機交互，可與CC2430進行通信）[2]。

用于作為下級傳輸?shù)腪igbee模塊，采用TI公司的CC24430無線射頻芯片，其具有顯著的低成本、低消耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多等的無線傳輸功能?？梢詫⒁粋€節(jié)點作為路由，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，同時可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)，實現(xiàn)組網(wǎng)，也有效地延長了Zigbee的傳輸距離。同時其具有高容量優(yōu)點，可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過對與STM32通信和傳感數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)拈_發(fā)，形成對家中照明、安防、電器等進行遠程控制。

采用SDIO WIFI模塊芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，其具有的USB 2．0接口與STM32的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB接口直接相連。該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接。通過WIFI可以在家中隨時上網(wǎng)，同時也可以通過家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠程控制。

控制板操作界面如圖2所示，主要是由STM32驅(qū)動帶有GUI源代碼的觸屏顯器，在其系統(tǒng)上進行UI（User Interface用戶界面）設(shè)計，使其界面簡單易用。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 觸屏控制板的人機操作界面

1．2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

采用Zigbee無線通信技術(shù)將智能家電設(shè)備組成星形網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。Zigbee協(xié)議中包括3種節(jié)點，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD）、路由器、終端節(jié)點（RFD）[3]。

星形網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)都通過協(xié)調(diào)器傳輸，終端設(shè)備之間通信也通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)，終端設(shè)備不是通信的起點就是通信的終點。

Zigbee擴展模塊在家庭網(wǎng)關(guān)中作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可以是通信的起點或終點，負責各子傳感器節(jié)點的通信管理、動態(tài)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee終端節(jié)點包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的門磁開關(guān)、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及燃氣泄露探測器等。

圖3 Zigbee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 家居環(huán)境的調(diào)節(jié)控制

家居環(huán)境調(diào)節(jié)控制包括照明系統(tǒng)的控制、窗簾的控制以及空調(diào)等家用電器的控制。照明系統(tǒng)包括燈的開關(guān)狀態(tài)以及亮暗狀態(tài)的控制。窗簾控制包括窗簾的合開以及合開的程度。空調(diào)等家電的控制包括電器的開關(guān)和其溫度的設(shè)定[4]。

環(huán)境控制的傳輸機制類似于單片機多機通信，由協(xié)調(diào)器接受控制板的控制信息，轉(zhuǎn)化為2．4GHz信號傳輸給路由節(jié)點或直接到達終端節(jié)點，先發(fā)送地址碼(末位為 “1”），所有子網(wǎng)均接受，與自身編碼作比較，若相等則允許接受下次信息，若不相等則不接受，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)碼(末位為 “0”），子網(wǎng)中相應(yīng)的節(jié)點接收數(shù)據(jù)，完成握手，達到對子網(wǎng)的控制。子網(wǎng)種結(jié)點將接受的數(shù)據(jù)譯碼，實現(xiàn)其所指定的動作，例如，“0”為切斷，“1”為開通。

2．1 照明系統(tǒng)

常用的調(diào)光方法有脈沖寬度調(diào)制(PWM）調(diào)光法、改變半橋逆變器供電電壓調(diào)光法、脈沖調(diào)頻調(diào)光法、脈沖調(diào)相調(diào)光法和可控硅相控調(diào)光法?？煽叵嗫卣{(diào)光法具有調(diào)光功率范圍寬等優(yōu)點，因而采用該方法，其電路圖如圖4所示。通過控制可控硅的導通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分以降低輸出電壓的平均值，達到控制燈具供電電壓，從而實現(xiàn)調(diào)光。可控硅相控調(diào)光對照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快，調(diào)光精度高，調(diào)光參數(shù)可以分時段實時調(diào)整。由于調(diào)光電路主要是電子元件組成，相對來說設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、成本低。

圖4 照明系統(tǒng)控制電路圖

控制回路由路由節(jié)點接受協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，分析確定完成握手后，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動雙向可控硅，同時通過鎖存器將數(shù)據(jù)存儲，以便與下一次數(shù)據(jù)作比較，從而實現(xiàn)對燈光亮度的調(diào)節(jié)。

2．2 空調(diào)及其他電器

空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)控制是開關(guān)量控制，先通過地址碼確定需要控制的器件地址，再由數(shù)據(jù)碼控制開關(guān)的狀態(tài)，若是智能空調(diào)或其他電器，可由多層級的開光量控制，確定地址碼后，數(shù)據(jù)碼依次為開光狀態(tài)、溫度上升／下降、需要設(shè)定的溫度或者上升下降的溫度等數(shù)據(jù)?？照{(diào)的控制結(jié)構(gòu)圖與照明系統(tǒng)相類似。

2．3 窗簾

窗簾控制系統(tǒng)由通信模塊和步進電機組成的執(zhí)行模塊組成，如圖5所示。終端CC2430接受協(xié)調(diào)器的控制信號，確定自己是否被呼叫，然后接受所來數(shù)據(jù)，確定是步進電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，在接受數(shù)據(jù)信息的同時，與自身存儲的數(shù)據(jù)作對比，確定需要的脈沖數(shù)，從而控制窗簾的開關(guān)程度。

圖5 窗簾控制的電路圖

3 安防系統(tǒng)

安防系統(tǒng)主要包括正常生活環(huán)境溫濕度的檢測、發(fā)生燃氣泄漏、火災、溢水等安全隱患的報告、有盜竊或其他非家中人員未經(jīng)允許私自進入的報告和報警等安防行為。

3．1 溫濕度檢測

溫濕度的檢測主要采用智能傳感器芯片SHT15，其中不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有14位的A／D轉(zhuǎn)換器和2線串行接口，能輸出經(jīng)過校準的相對濕度和溫度的串行數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)中不再使用傳統(tǒng)設(shè)計需要的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器及信號調(diào)理電路，溫度檢測電路如圖6所示。將傳感器所測得的模擬信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送回控制節(jié)點，產(chǎn)生中斷，將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由控制板上的環(huán)境控制信號通知用戶或通過網(wǎng)絡(luò)告知用戶家中的溫濕度。

圖6 溫濕度檢測電路圖

3．2 火災檢測報警

火災檢測裝置選用離子型煙霧檢測報警芯片MC14468，離子室使用放射源镅241，強度約為0．8微居里，不會對人體造成傷害，也不會污染環(huán)境。當檢測到煙霧時，離子室離子電流會隨著檢測現(xiàn)場的煙霧變化而產(chǎn)生微弱的電壓變化，傳到芯片檢測端，由內(nèi)部邏輯電路處理后，啟動蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時連接的LED以1Hz的頻率閃爍發(fā)光，從而達到報警效果。

火災檢測報警電路與溫濕度傳感電路相類似，只是把溫濕度傳感器換為煙霧檢測器，另外增加嗡鳴器和閃燈的報警裝置。

3．3 防盜報警

防盜檢測的主要器件是熱釋電紅外探測器和微波探測器，將上述探測器封裝在一個殼體內(nèi)，并將2個探測器的輸出信號共同送到與門電路，只有當2種探測技術(shù)的傳感器都探測到移動的人體時，才輸出報警信號。防盜報警的電路結(jié)構(gòu)與溫濕度檢測相類似，主要由紅外線報警裝置和微波探測裝置共同啟動，將信息及時報告用戶。

4 WIFI通信模塊

Wi-Fi是一種幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它為用戶提供了無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問，具有無線電波的覆蓋范圍廣(Wi-Fi的半徑則可達100m左右）、傳輸速度非?？旌蜔o須布線等優(yōu)點。由于WiFi的頻段在世界范圍內(nèi)是無需任何電信運營執(zhí)照的免費頻段，因此WLAN無線設(shè)備提供了一個費用極其低廉且數(shù)據(jù)帶寬極高的無線空中接口。該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接。通過WIFI可以在家中隨時上網(wǎng)，同時也可以通過家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠程控制。

圖7 Zigbee組網(wǎng)流程圖

5 軟件設(shè)計

軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎(chǔ)上完成各項相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。

5．1 Zigbee組網(wǎng)軟件設(shè)計

由CC2430芯片組網(wǎng)的軟件流程圖如圖7所示。在智能家居內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器首先進行初始化，然后選擇一個稱為PAN ID的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備接入CSMA-CA機制的協(xié)調(diào)器。當協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)時，首先判斷是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求還是設(shè)備節(jié)點的控制請求，如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求則分配網(wǎng)絡(luò)地址并綁定節(jié)點，如果是控制請求則調(diào)用控制請求處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢，協(xié)調(diào)器返回等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。

通過串口調(diào)試助手進行試驗，進行協(xié)調(diào)器和路由器加網(wǎng)通信試驗，如圖8所示。當協(xié)調(diào)器檢測到新節(jié)點時，節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)，顯示“Network Join succeeded！”，并顯示自己的短地址(協(xié)調(diào)器隨機分配）和父節(jié)點的長地址和網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)建立成功后可進行通信。

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點之間的加網(wǎng)通信試驗如圖9所示。該試驗與協(xié)調(diào)器和路由器加網(wǎng)通信試驗相類似，但是其節(jié)點直接接收到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)（2221h）并存放在PingCnt中，如圖9中 “PingCnt：0x2221”。

圖8 協(xié)調(diào)器和路由器組網(wǎng)試驗調(diào)試結(jié)果

圖9 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點組網(wǎng)試驗調(diào)試結(jié)果

5．2 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主程序的流程圖如圖10所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應(yīng)用程序初始化，網(wǎng)關(guān)開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)據(jù)到來網(wǎng)關(guān)進入中斷狀態(tài)[5]。首先判斷是否為Zigbee數(shù)據(jù)，如果是Zigbee數(shù)據(jù)，則按照WSN協(xié)議處理數(shù)據(jù)并打包轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi模塊，網(wǎng)關(guān)返回監(jiān)聽狀態(tài)。如果不是Zigbee數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)再判斷是否為Wi-Fi數(shù)據(jù)，如果是Wi-Fi數(shù)據(jù)則以Wi-Fi協(xié)議處理數(shù)據(jù)再打包轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee模塊，并返回監(jiān)聽狀態(tài)，如果是未知數(shù)據(jù)，則網(wǎng)關(guān)進行丟棄處理直接返回監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

圖10 網(wǎng)關(guān)流程圖

6 結(jié) 語

通過利用Zigbee技術(shù)組網(wǎng)，構(gòu)成可擴展的家庭網(wǎng)絡(luò)，并采用可視化效果較好的觸屏控制方式，系統(tǒng)由一個主控制器和多個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，它們之間通過無線模塊進行通信。根據(jù)客戶需求，主控制器采用功能強大的ARM芯片和嵌入式系統(tǒng)，配合使用方便的觸摸屏進行設(shè)計，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則由廉價實用的51系列單片機實現(xiàn)。該系統(tǒng)使用方便，具有良好的可擴展性、安全可靠和便于維修等特點，因而應(yīng)用前景廣闊。

[1]吳卻，廖力清 ．一種基于Zigbee的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 [J]．桂林航天工業(yè)高等?？茖W校學報，2010，15（4）：439-441．

[2]鐘雄林 ．基于ARM9的無線智能家居控制系統(tǒng) [J]．信息科技，2010（9）：231-232．

[3]高雨明 ．淺析Zigbee無線傳輸技術(shù)及其應(yīng)用 [J]．信息與電腦，2010（8）：126-128．

[4]楊浩杰，韓秀玲 ．一種智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 [J]．微型電腦應(yīng)用，2011，27（2）：49-51．

[5]高靜，王福豹，段渭軍 ．面向智能家居的嵌入式傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計 [J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（4）：19-22．