文/梅明

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術的特點，設計出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。因此，本系統(tǒng)可以稱為是智能家居。

系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)設計由家庭內(nèi)被控制設備和遠程控制設備組成。其中家庭內(nèi)被控制設備主要有能訪問Internet的計算機、控制中心、監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器。遠程控制設備主要由遠程計算機和手機組成。

系統(tǒng)的主要功能有：

·網(wǎng)頁前臺頁面的瀏覽，后臺信息管理；

·通過Internet和手機兩種遠程控制方式實現(xiàn)室內(nèi)家用電器、安防和燈光的開關控制；

·通過RFID模塊實現(xiàn)用戶識別，從而完成室內(nèi)安防狀態(tài)的開關，在盜賊入侵時通過短信息(SMS)向用戶報警；

·通過中央控制管理系統(tǒng)軟件完成室內(nèi)燈光及家電的本地控制和狀態(tài)顯示；

·利用數(shù)據(jù)庫完成個人信息存儲和室內(nèi)設備狀態(tài)存儲，通過中央控制管理系統(tǒng)方便用戶查詢室內(nèi)設備狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包括控制中心、監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器(這里以電風扇控制器為例)的設計。

控制中心?？刂浦行闹饕δ苡校?、組建無線ZigBee網(wǎng)絡，把所有監(jiān)控節(jié)點加入網(wǎng)絡中，并實現(xiàn)新設備的接收；2、用戶身份識別，用戶在離家或歸來時通過用戶卡實現(xiàn)室內(nèi)安防的開關；3、當有盜賊入侵室內(nèi)時，通過向用戶發(fā)送短信息報警。用戶也可通過短信息控制室內(nèi)安防、燈光及家電；4、系統(tǒng)單機運行時，液晶顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶查看；5、存儲電器設備狀態(tài)并發(fā)送至PC機，以實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)機。

選用TI公司的CC2430單片機作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內(nèi)核的單片機。也是一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測(CSMA／CA)，2.0～3.6V的工作電壓有利于實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。通過連接在控制中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無線星形ZigBee網(wǎng)絡。并將所有監(jiān)控節(jié)點、選擇添加的家用電器控制器作為該網(wǎng)絡中的終端節(jié)點加入網(wǎng)絡中，從而實現(xiàn)室內(nèi)安防及家電的無線ZigBee網(wǎng)絡控制。

控制中心MCU采用8位單片機ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結構的單片機，大多數(shù)指令可在1個時鐘周期內(nèi)完成，最高工作于16 MHz，具有128K的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM和2個串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC機相連，是整套硬件系統(tǒng)的核心，完成對中央控制管理系統(tǒng)的響應和對各模塊的驅(qū)動。GSM模塊采用TC35i模塊。它通過串行UART接口直接與控制中心MCU相連。RFID模塊采用ZLG500模塊，其內(nèi)部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫RC500內(nèi)的。EEPROM。由于ZLG500并不是采用標準SPI接口規(guī)范，故只能與單片機的通用I／O接口相連才能實現(xiàn)通信。液晶模塊選用1602液晶，采用4線接口與控制中心MCU的通用I／O接口相連。ZigBee協(xié)調(diào)器與控制中心MCU采用2線接口即可實現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)雙向傳輸?？刂浦行腗CU與計算機RS232串口相連，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，實時性好。

監(jiān)控節(jié)點。監(jiān)控節(jié)點的功能有：1、人體信號的檢測，當盜賊入侵時進行聲光報警；2、燈光的控制，其控制方式分為自動控制和手動控制，自動控制是根據(jù)室內(nèi)光線的強弱自動打開／關閉燈光，手動控制是通過中央控制管理系統(tǒng)實現(xiàn)燈光控制：3、將報警信息及其他信息發(fā)送至控制中心，并接收來自控制中心的控制指令以完成設備控制。

紅外加微波的探測模式是目前在人體信號檢測時最常用的方式。熱釋電紅外探頭這里選用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10V電壓供電，內(nèi)置熱釋電雙敏感紅外元件，當元件接收紅外光時在每個元件兩極發(fā)生光電效應而積累電荷。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)模混合專用集成電路。它與RE200B及少量元件就可構成被動式熱釋電紅外開關。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10GHz，建立時間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復合使用，可有效降低目標探測錯誤率。

燈光控制模塊主要由光敏電阻和燈光控制繼電器組成。將光敏電阻與10kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)，再將光敏電阻另一端接地，可調(diào)電阻另一端接高電平。通過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取兩個電阻連接點的電壓值，從而判定當前燈光是否打開。可調(diào)電阻可供用戶調(diào)節(jié)，以滿足用戶設置燈光剛剛打開時的光線強度。室內(nèi)燈光的開關通過繼電器控制。只需一個輸入輸出口即可實現(xiàn)。

選擇添加的家用電器控制器。選擇添加的家用電器的控制主要根據(jù)設備功能實現(xiàn)設備控制，這里以電風扇為例。電風扇控制就是控制中心將上位機下達的電風扇控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送至電風扇控制器實現(xiàn)，不同的家電識別碼是不同的，例如，本協(xié)議規(guī)定電風扇的識別碼是122，家用彩電的識別碼是123，這樣就實現(xiàn)控制中心對不同家電的識別。而對于相同的指令代碼，不同家電執(zhí)行的功能是不一樣的。

系統(tǒng)軟件設計。系統(tǒng)軟件設計主要包括6部分，分別為遠程控制網(wǎng)頁設計、中央控制管理系統(tǒng)設計，控制中心主控制器ATMegal28程序設計、CC2430協(xié)調(diào)器程序設計、CC2430監(jiān)控節(jié)點程序設計、CC2430選擇添加設備的程序設計。

ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設計。協(xié)調(diào)器首先完成應用層初始化，將應用層狀態(tài)和接收狀態(tài)設為空閑，然后打開全局中斷并初始化I／O端口。接著協(xié)調(diào)器開始建立無線星形網(wǎng)絡。協(xié)議中，協(xié)調(diào)器自動選擇2.4 GHz的頻段，每秒發(fā)送的最大比特數(shù)為62500，默認的個域網(wǎng)網(wǎng)絡號(PANID)是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為93，串口的波特率是57600bit／s，SL0W TIMER每秒產(chǎn)生中斷10次。在ZigBee網(wǎng)絡建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協(xié)調(diào)器識別為監(jiān)控節(jié)點的一員，它被識別的地址為0。程序進入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU；判斷控制中心MCU是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應的ZigBee終端節(jié)點；判斷安防是否打開，是否有盜賊入侵，如果有則把報警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動控制狀態(tài)，如果是，則打開模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣，采樣值是燈光打開或關閉的關鍵，如果發(fā)生燈光狀態(tài)改變則把新的狀態(tài)信息傳送到控制中心MC-U。

ZigBee終端節(jié)點的程序設計。ZigBee終端節(jié)點是指由ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無線ZigBee節(jié)點，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節(jié)點的初始化同樣包括應用層初始化，打開中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡，需要強調(diào)的是：只有和ZigBee協(xié)調(diào)器設置一致的終端節(jié)點才能加入到網(wǎng)絡中。如果ZigBee終端節(jié)點嘗試加入網(wǎng)絡失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡中。加入網(wǎng)絡成功后，ZigBee終端節(jié)點將其注冊信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心MCU以完成ZigBee終端節(jié)點的注冊。ZigBee終端節(jié)點如果是監(jiān)控節(jié)點，則實現(xiàn)燈光及安防的控制，程序與ZigBee協(xié)調(diào)器部分類似，只是監(jiān)控節(jié)點需將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節(jié)點如果是電風扇控制器，則只需接收上位機的數(shù)據(jù)，而不必上傳狀態(tài)，故它的控制可以在無線數(shù)據(jù)接收中斷中直接完成。在無線數(shù)據(jù)接收中斷中，所有終端節(jié)點都是將接收的控制指令翻譯成對節(jié)點本身的控制參數(shù)，在節(jié)點主程序中不對接收的無線指令進行任何處理。

聯(lián)機調(diào)試。由中央控制管理系統(tǒng)下發(fā)的對固定設備的指令編碼遞增的指令，通過計算機串口發(fā)送至控制中心MCU，并通過兩線接口發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至ZigBee終端節(jié)點，在終端節(jié)點接收完成時將數(shù)據(jù)再次通過串口發(fā)送至PC機，在這臺PC機上完成ZigBee終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)與控制中心所發(fā)送的數(shù)據(jù)的比較。中央控制管理系統(tǒng)每一秒發(fā)送2條指令，經(jīng)過5h的測試，測試軟件顯示共接收數(shù)據(jù)包數(shù)量為36000包時停止測試。正確數(shù)據(jù)包36000，錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)為0，正確率為100%。

結束語

通過ZigBee技術實現(xiàn)智能家居內(nèi)部組網(wǎng)，具有遠程控制方便，添加新設備靈活和控制性能可靠等優(yōu)點。通過RFID技術實現(xiàn)用戶身份識別，提高系統(tǒng)的安全性。通過GSM模塊的接入，實現(xiàn)了遠程控制和報警功能。