霍娟娟，侯建軍，張海靜

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高，家用電器設(shè)備也在不斷增多，對(duì)其進(jìn)行智能化的研究勢(shì)在必行。

據(jù)估測(cè)，每個(gè)家庭需要100～150個(gè)ZigBee設(shè)備聯(lián)網(wǎng)各種家用電器。ZigBee技術(shù)可以改善居住環(huán)境的舒適度，特別適合兒童、老年人和殘疾人使用，帶來(lái)極大的便利，在真正意義上實(shí)現(xiàn)智能家居[1]。

本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的家庭網(wǎng)關(guān)無(wú)線接入方案，該方案以CC2430和ZigBee2006協(xié)議棧為基礎(chǔ)建立家庭無(wú)線子網(wǎng)，用戶通過(guò)運(yùn)行在PC機(jī)上的主控軟件對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作過(guò)程

（1）通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，無(wú)線終端將板載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地發(fā)送到ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。（2）協(xié)調(diào)器將接收到的各無(wú)線終端數(shù)據(jù)進(jìn)行集中并通過(guò)串行接口發(fā)送到上位機(jī)。（3）PC端軟件與協(xié)調(diào)器的串行口通信數(shù)據(jù)協(xié)議對(duì)接，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分類和分頁(yè)面管理，并將各終端信息進(jìn)行顯示。（4）當(dāng)用戶想要改變某個(gè)電器的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，只需通過(guò)控制平臺(tái)發(fā)送下行命令，即可將指令發(fā)送到協(xié)調(diào)器中，經(jīng)過(guò)解析后判斷出命令意圖，然后向該電器所在的無(wú)線終端發(fā)送控制指令進(jìn)行相應(yīng)操作，并更新電器運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低功耗、節(jié)點(diǎn)容量大、擴(kuò)充靈活的雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能比較如表 1[2~3]所示。

表 1 幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較

ZigBee適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。它的信號(hào)收發(fā)時(shí)間很短，設(shè)備搜索時(shí)延一般為30 ms，休眠激活時(shí)延15 ms，這些因素決定了其低功耗特性，ZigBee節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月～2年[4]。另外，相對(duì)于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議棧緊湊簡(jiǎn)單，只需要8 bit處理器和4 kbit ROM，64 kbit RAM等就可以滿足其最低要求，從而極大地降低了芯片成本。因此，選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建智能家居的家庭子網(wǎng)是一種較優(yōu)方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要是構(gòu)建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的低成本，低功耗，易于組裝，控制方便，易于擴(kuò)展的設(shè)計(jì)要求，采用ZigBee開(kāi)發(fā)板作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建ZigBee無(wú)線家庭子網(wǎng)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的結(jié)構(gòu)相同，由主控板（CC2430）和底層板（STM 32F103）組成。主控板主要完成節(jié)點(diǎn)加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，它與底層板通過(guò)串行接口通信完成二者之間數(shù)據(jù)交互等功能。底層板面積較大，便于配置可控設(shè)備和傳感器，其主要任務(wù)是完成對(duì)這些傳感器的數(shù)據(jù)采集和接收CC2430控制指令對(duì)可控設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作。而主控板上的無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信采用基于ZigBee2006協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議棧是一個(gè)建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee2006協(xié)議棧將CC2430的底層驅(qū)動(dòng)全部固化在協(xié)議棧中，可以直接調(diào)用，增強(qiáng)了軟件的可靠性并縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期[5]。

在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)間的通信主要指終端節(jié)點(diǎn)將自身數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器以及接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的控制指令[6]。終端節(jié)點(diǎn)只要將數(shù)據(jù)整理成包后進(jìn)行發(fā)送即可。而終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的控制指令較為復(fù)雜，首先進(jìn)行命令解析，判斷是否發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)，如果不是，則按照指令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)主控芯片CC2430判斷控制指令的控制對(duì)象在主控板還是在底層驅(qū)動(dòng)板，如在主控板則直接進(jìn)行控制，如果在底層驅(qū)動(dòng)板，則需進(jìn)一步向STM 32F103發(fā)送控制指令。協(xié)調(diào)器指令執(zhí)行過(guò)程如圖 3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集和底層驅(qū)動(dòng)程序的軟件設(shè)計(jì)

（1）對(duì)于傳感器，STM 32F103只需要正確采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出具體數(shù)值，通過(guò)串口發(fā)送給CC2430即可，不需要接收任何反饋。

（2）對(duì)于可控設(shè)備，STM 32F103首先接收CC2430發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令碼，解析后對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)，STM 32F103需要實(shí)時(shí)的向CC2430報(bào)告各設(shè)備的運(yùn)作情況。

圖 3 協(xié)調(diào)器指令執(zhí)行過(guò)程

底層板程序設(shè)計(jì)流程如圖 4所示。

圖 4 STM 32F103底層板程序流程圖

3.3 PC主控軟件的設(shè)計(jì)

PC端主控軟件是家居監(jiān)控系統(tǒng)的操作核心，用戶通過(guò)該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)各無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。主控軟件采用MFC設(shè)計(jì)完成。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

圖 5 PC主控軟件架構(gòu)圖

設(shè)備是否在線是對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的根據(jù)，也是獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的可靠保證，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D有利于用戶分析家居的組網(wǎng)狀態(tài)，級(jí)聯(lián)次數(shù)少的節(jié)點(diǎn)靈敏度高，反之越低，因此用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)靈敏度與家居控制相協(xié)調(diào)。

系統(tǒng)運(yùn)行后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上線后會(huì)向協(xié)調(diào)器進(jìn)行報(bào)告，捕獲這個(gè)報(bào)告后將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)終端顯示為在線。掉線監(jiān)控的算法則較為復(fù)雜，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)掉線是瞬間的，并不會(huì)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任何信息。采用“強(qiáng)迫掉線監(jiān)控法”來(lái)實(shí)現(xiàn)掉線監(jiān)測(cè)，程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

圖 6 強(qiáng)迫掉線法程序流程

4 系統(tǒng)應(yīng)用功能展示

基于mFC的PC應(yīng)用軟件是智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用核心，用戶通過(guò)該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)各無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

4.1 三維的用戶界面

三維立體空間模擬真實(shí)的家居環(huán)境如圖 7所示，空間模型中的頂燈，要打開(kāi)或關(guān)閉，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可。

同樣的，將傳感器設(shè)備展示在模型內(nèi)部，當(dāng)點(diǎn)擊其所在區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)顯示相應(yīng)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.2 傳感器歷史數(shù)據(jù)查詢

圖 8所示功能為傳感器歷史數(shù)據(jù)查詢，圖中波形顯示了家中溫度、氣壓、光照和濕度的數(shù)值變化，根據(jù)這些信息，可以直接了解室內(nèi)環(huán)境變化情況。

圖 7 智能家居三維模型

圖 8 傳感器數(shù)據(jù)波形

4.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)獲取

這個(gè)應(yīng)用可以自動(dòng)獲取智能家居的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可以觀察各終端是否在線，以及它們不同的級(jí)聯(lián)方式。組網(wǎng)信息會(huì)定時(shí)刷新，動(dòng)態(tài)顯示各終端的上線和掉線，方便監(jiān)控，如圖 9所示。

圖 9 智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

5 PC軟件穩(wěn)定性與可靠性分析

在W indow s XP環(huán)境下，運(yùn)行PC軟件的可執(zhí)行文件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)15 h的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，軟件運(yùn)行可靠，未發(fā)生內(nèi)存泄露，系統(tǒng)崩潰和軟件運(yùn)算靈敏度降低現(xiàn)象。軟件性能指標(biāo)如下：

（1）串行通信口接收數(shù)據(jù)波特率115 200，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D頁(yè)面的刷新頻率為2次/s，具有良好的實(shí)時(shí)性。

（3）智能家居頁(yè)面與板載設(shè)備控制頁(yè)面通信正常，數(shù)據(jù)保持一致。

（4）傳感器波形刷新頻率為2次/s，數(shù)據(jù)波形有效且具有良好的實(shí)時(shí)性。

（5）傳感器歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)最大條目數(shù)可達(dá)20 000條。

以上分析表明，建立在PC端的主控軟件滿足了系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，闡述了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，并展示了功能應(yīng)用，對(duì)PC主控軟件的性能進(jìn)行了測(cè)試。該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，通用性好，成本低且穩(wěn)定可靠，支持用戶定制的系統(tǒng)功能應(yīng)用,可以用于現(xiàn)代家居管理，高校實(shí)驗(yàn)室布置和倉(cāng)庫(kù)管理等大場(chǎng)地，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中無(wú)線傳感器采用2節(jié)容量為200 mAh的5號(hào)電池，經(jīng)測(cè)試，正常工作時(shí)間均超過(guò)6個(gè)月，滿足低功耗要求。

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