王青青　于本成

摘要：以CC2530芯片及其外圍設(shè)備構(gòu)成硬件系統(tǒng)，使用IAR Embedded Workbench軟件對(duì)芯片進(jìn)行編譯、調(diào)試、下載，通過ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，對(duì)智能家居環(huán)境溫度、濕度、光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，并能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，能為人們提供舒適、方便和人性化的智能家居環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2530

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美國、歐洲等西方發(fā)達(dá)國家提出，智能家居將計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)融合應(yīng)用于家庭環(huán)境中，使家居生活中的照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合起來[1]。實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)以后，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。該文設(shè)計(jì)了一套能夠監(jiān)測家庭環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人體等數(shù)據(jù)的智能家居系統(tǒng)。以TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片為硬件平臺(tái)，使用IAR編程調(diào)試工具，在TI公司開發(fā)好的Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，利用終端節(jié)點(diǎn)采集家居生活環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS232串口，將采集到的數(shù)據(jù)在 PC 上進(jìn)行顯示，并且可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問，實(shí)現(xiàn)控制[2]。

1 ZigBee 技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6-24個(gè)月；

2）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)設(shè)備；

4）時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；

5）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；

6）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性

7）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在家居環(huán)境中部署溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、關(guān)照度傳感器節(jié)點(diǎn)、紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)與家庭網(wǎng)關(guān)之間通過ZigBee協(xié)議棧無線連接，對(duì)家居環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、紅外進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時(shí)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)通過RS232串口將采集到的家居環(huán)境中的信息傳輸?shù)絇C機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行處理，并可根據(jù)監(jiān)測值，通過相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制家居電器，例如溫度過高，打開空調(diào)，光照度低，打開電燈等，實(shí)現(xiàn)家居生活的智能控制，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)選用TI公司所研發(fā)的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生產(chǎn)的第一款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻體系單片機(jī)。它整合了CC2530中高性能的RF收發(fā)組件和一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)8051內(nèi)核MCU，具有開發(fā)難度低的SoC特性。工作于免許可的2.4GHz頻段。CC2530 硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)的無線采集，終端節(jié)點(diǎn)中配備采集所必須的傳感器，那么就需要在終端節(jié)點(diǎn)中加入相應(yīng)的傳感器驅(qū)動(dòng)程序，在Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層中添加相關(guān)的程序以實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度、紅外數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點(diǎn)采集到家居環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，采取適當(dāng)?shù)穆酚伤惴?，配置網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)參數(shù)，保證終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間能夠正常通信、協(xié)調(diào)器能夠準(zhǔn)確無誤地控制終端節(jié)點(diǎn)[3]。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，軟件采用的是TI公司所研發(fā)Z-Stack 協(xié)議棧。Z-Stack 協(xié)議棧的物理層和MAC層遵循國際電信聯(lián)盟所制定的IEEE802.15.4規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層遵循ZigBee聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的功能需要進(jìn)行定義[4]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是ZigBee的組網(wǎng)，主要包括：協(xié)議棧啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)間的綁定。

1）協(xié)議棧的啟動(dòng)：當(dāng)設(shè)備上電啟動(dòng)時(shí)，首先要進(jìn)行初始化，主要包括初始化時(shí)鐘、硬件的監(jiān)測、各軟件模塊的初始化操作，完成初始化以后，進(jìn)入到協(xié)議棧，協(xié)議棧即一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，采用任務(wù)輪詢循環(huán)機(jī)制，輪詢要執(zhí)行的任務(wù)。具體啟動(dòng)過程如圖3所示。

2） 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)：ZigBee組網(wǎng)需要協(xié)調(diào)器，所以協(xié)調(diào)器首先啟動(dòng)，選擇可用的信道，配置網(wǎng)絡(luò) ID，然后掃描信道，偵聽與自己網(wǎng)絡(luò) ID 匹配的節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求，判斷入網(wǎng)請求，如果請求匹配，則為節(jié)點(diǎn)分配短地址，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。而節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，在進(jìn)行初始化以后就會(huì)根據(jù)預(yù)先配置好的網(wǎng)絡(luò) ID，搜尋網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖4 所示。

3） 節(jié)點(diǎn)間的綁定： 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)以后，還需要與協(xié)調(diào)器在應(yīng)用層上建立一個(gè)邏輯上的鏈接，即節(jié)點(diǎn)間的綁定。只有在建立綁定的基礎(chǔ)上，采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間才能進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的信息交互：協(xié)調(diào)器夠收到節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)能收到協(xié)調(diào)器的控制指令。節(jié)點(diǎn)綁定的流程如圖5 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中部署溫度、濕度、光照度、紅外傳感器，進(jìn)行實(shí)際的測量，以溫度傳感器為例，測量結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，采用無線通信，應(yīng)用于家居環(huán)境中，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集溫度、濕度、光照度等信息，且在PC終端顯示各項(xiàng)信息，并能根據(jù)控制端的指令無線控制終端節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線控制智能家居中的設(shè)備。采用ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，無需布線，也無需對(duì)室內(nèi)電線作任何改動(dòng)，安裝簡單、易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉、具有測量準(zhǔn)確、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（13）：1-11.

[2] 趙凱，龔仁喜. 基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2009（8）：127-129.

[3] 深圳市威百仕集成電路有限公司. VIC-SP3SK2 用戶手冊[M].深圳：2006.

[4] 樂強(qiáng).WiMAX Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].信息安全與通信保密，2012（8）：71-73.endprint

摘要：以CC2530芯片及其外圍設(shè)備構(gòu)成硬件系統(tǒng)，使用IAR Embedded Workbench軟件對(duì)芯片進(jìn)行編譯、調(diào)試、下載，通過ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，對(duì)智能家居環(huán)境溫度、濕度、光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，并能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，能為人們提供舒適、方便和人性化的智能家居環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2530

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美國、歐洲等西方發(fā)達(dá)國家提出，智能家居將計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)融合應(yīng)用于家庭環(huán)境中，使家居生活中的照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合起來[1]。實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)以后，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。該文設(shè)計(jì)了一套能夠監(jiān)測家庭環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人體等數(shù)據(jù)的智能家居系統(tǒng)。以TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片為硬件平臺(tái)，使用IAR編程調(diào)試工具，在TI公司開發(fā)好的Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，利用終端節(jié)點(diǎn)采集家居生活環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS232串口，將采集到的數(shù)據(jù)在 PC 上進(jìn)行顯示，并且可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問，實(shí)現(xiàn)控制[2]。

1 ZigBee 技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6-24個(gè)月；

2）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)設(shè)備；

4）時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；

5）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；

6）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性

7）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在家居環(huán)境中部署溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、關(guān)照度傳感器節(jié)點(diǎn)、紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)與家庭網(wǎng)關(guān)之間通過ZigBee協(xié)議棧無線連接，對(duì)家居環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、紅外進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時(shí)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)通過RS232串口將采集到的家居環(huán)境中的信息傳輸?shù)絇C機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行處理，并可根據(jù)監(jiān)測值，通過相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制家居電器，例如溫度過高，打開空調(diào)，光照度低，打開電燈等，實(shí)現(xiàn)家居生活的智能控制，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)選用TI公司所研發(fā)的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生產(chǎn)的第一款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻體系單片機(jī)。它整合了CC2530中高性能的RF收發(fā)組件和一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)8051內(nèi)核MCU，具有開發(fā)難度低的SoC特性。工作于免許可的2.4GHz頻段。CC2530 硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)的無線采集，終端節(jié)點(diǎn)中配備采集所必須的傳感器，那么就需要在終端節(jié)點(diǎn)中加入相應(yīng)的傳感器驅(qū)動(dòng)程序，在Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層中添加相關(guān)的程序以實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度、紅外數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點(diǎn)采集到家居環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，采取適當(dāng)?shù)穆酚伤惴?，配置網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)參數(shù)，保證終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間能夠正常通信、協(xié)調(diào)器能夠準(zhǔn)確無誤地控制終端節(jié)點(diǎn)[3]。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，軟件采用的是TI公司所研發(fā)Z-Stack 協(xié)議棧。Z-Stack 協(xié)議棧的物理層和MAC層遵循國際電信聯(lián)盟所制定的IEEE802.15.4規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層遵循ZigBee聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的功能需要進(jìn)行定義[4]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是ZigBee的組網(wǎng)，主要包括：協(xié)議棧啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)間的綁定。

1）協(xié)議棧的啟動(dòng)：當(dāng)設(shè)備上電啟動(dòng)時(shí)，首先要進(jìn)行初始化，主要包括初始化時(shí)鐘、硬件的監(jiān)測、各軟件模塊的初始化操作，完成初始化以后，進(jìn)入到協(xié)議棧，協(xié)議棧即一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，采用任務(wù)輪詢循環(huán)機(jī)制，輪詢要執(zhí)行的任務(wù)。具體啟動(dòng)過程如圖3所示。

2） 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)：ZigBee組網(wǎng)需要協(xié)調(diào)器，所以協(xié)調(diào)器首先啟動(dòng)，選擇可用的信道，配置網(wǎng)絡(luò) ID，然后掃描信道，偵聽與自己網(wǎng)絡(luò) ID 匹配的節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求，判斷入網(wǎng)請求，如果請求匹配，則為節(jié)點(diǎn)分配短地址，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。而節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，在進(jìn)行初始化以后就會(huì)根據(jù)預(yù)先配置好的網(wǎng)絡(luò) ID，搜尋網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖4 所示。

3） 節(jié)點(diǎn)間的綁定： 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)以后，還需要與協(xié)調(diào)器在應(yīng)用層上建立一個(gè)邏輯上的鏈接，即節(jié)點(diǎn)間的綁定。只有在建立綁定的基礎(chǔ)上，采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間才能進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的信息交互：協(xié)調(diào)器夠收到節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)能收到協(xié)調(diào)器的控制指令。節(jié)點(diǎn)綁定的流程如圖5 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中部署溫度、濕度、光照度、紅外傳感器，進(jìn)行實(shí)際的測量，以溫度傳感器為例，測量結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，采用無線通信，應(yīng)用于家居環(huán)境中，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集溫度、濕度、光照度等信息，且在PC終端顯示各項(xiàng)信息，并能根據(jù)控制端的指令無線控制終端節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線控制智能家居中的設(shè)備。采用ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，無需布線，也無需對(duì)室內(nèi)電線作任何改動(dòng)，安裝簡單、易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉、具有測量準(zhǔn)確、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（13）：1-11.

[2] 趙凱，龔仁喜. 基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2009（8）：127-129.

[3] 深圳市威百仕集成電路有限公司. VIC-SP3SK2 用戶手冊[M].深圳：2006.

[4] 樂強(qiáng).WiMAX Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].信息安全與通信保密，2012（8）：71-73.endprint

摘要：以CC2530芯片及其外圍設(shè)備構(gòu)成硬件系統(tǒng)，使用IAR Embedded Workbench軟件對(duì)芯片進(jìn)行編譯、調(diào)試、下載，通過ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，對(duì)智能家居環(huán)境溫度、濕度、光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，并能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，能為人們提供舒適、方便和人性化的智能家居環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2530

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美國、歐洲等西方發(fā)達(dá)國家提出，智能家居將計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)融合應(yīng)用于家庭環(huán)境中，使家居生活中的照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合起來[1]。實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)以后，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。該文設(shè)計(jì)了一套能夠監(jiān)測家庭環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人體等數(shù)據(jù)的智能家居系統(tǒng)。以TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片為硬件平臺(tái)，使用IAR編程調(diào)試工具，在TI公司開發(fā)好的Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，利用終端節(jié)點(diǎn)采集家居生活環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS232串口，將采集到的數(shù)據(jù)在 PC 上進(jìn)行顯示，并且可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問，實(shí)現(xiàn)控制[2]。

1 ZigBee 技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6-24個(gè)月；

2）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)設(shè)備；

4）時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；

5）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；

6）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性

7）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在家居環(huán)境中部署溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、關(guān)照度傳感器節(jié)點(diǎn)、紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)與家庭網(wǎng)關(guān)之間通過ZigBee協(xié)議棧無線連接，對(duì)家居環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、紅外進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時(shí)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)通過RS232串口將采集到的家居環(huán)境中的信息傳輸?shù)絇C機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行處理，并可根據(jù)監(jiān)測值，通過相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制家居電器，例如溫度過高，打開空調(diào)，光照度低，打開電燈等，實(shí)現(xiàn)家居生活的智能控制，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)選用TI公司所研發(fā)的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生產(chǎn)的第一款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻體系單片機(jī)。它整合了CC2530中高性能的RF收發(fā)組件和一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)8051內(nèi)核MCU，具有開發(fā)難度低的SoC特性。工作于免許可的2.4GHz頻段。CC2530 硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)的無線采集，終端節(jié)點(diǎn)中配備采集所必須的傳感器，那么就需要在終端節(jié)點(diǎn)中加入相應(yīng)的傳感器驅(qū)動(dòng)程序，在Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層中添加相關(guān)的程序以實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度、紅外數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點(diǎn)采集到家居環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，采取適當(dāng)?shù)穆酚伤惴?，配置網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)參數(shù)，保證終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間能夠正常通信、協(xié)調(diào)器能夠準(zhǔn)確無誤地控制終端節(jié)點(diǎn)[3]。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，軟件采用的是TI公司所研發(fā)Z-Stack 協(xié)議棧。Z-Stack 協(xié)議棧的物理層和MAC層遵循國際電信聯(lián)盟所制定的IEEE802.15.4規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層遵循ZigBee聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的功能需要進(jìn)行定義[4]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是ZigBee的組網(wǎng)，主要包括：協(xié)議棧啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)間的綁定。

1）協(xié)議棧的啟動(dòng)：當(dāng)設(shè)備上電啟動(dòng)時(shí)，首先要進(jìn)行初始化，主要包括初始化時(shí)鐘、硬件的監(jiān)測、各軟件模塊的初始化操作，完成初始化以后，進(jìn)入到協(xié)議棧，協(xié)議棧即一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，采用任務(wù)輪詢循環(huán)機(jī)制，輪詢要執(zhí)行的任務(wù)。具體啟動(dòng)過程如圖3所示。

2） 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)：ZigBee組網(wǎng)需要協(xié)調(diào)器，所以協(xié)調(diào)器首先啟動(dòng)，選擇可用的信道，配置網(wǎng)絡(luò) ID，然后掃描信道，偵聽與自己網(wǎng)絡(luò) ID 匹配的節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求，判斷入網(wǎng)請求，如果請求匹配，則為節(jié)點(diǎn)分配短地址，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。而節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，在進(jìn)行初始化以后就會(huì)根據(jù)預(yù)先配置好的網(wǎng)絡(luò) ID，搜尋網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖4 所示。

3） 節(jié)點(diǎn)間的綁定： 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)以后，還需要與協(xié)調(diào)器在應(yīng)用層上建立一個(gè)邏輯上的鏈接，即節(jié)點(diǎn)間的綁定。只有在建立綁定的基礎(chǔ)上，采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間才能進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的信息交互：協(xié)調(diào)器夠收到節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)能收到協(xié)調(diào)器的控制指令。節(jié)點(diǎn)綁定的流程如圖5 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中部署溫度、濕度、光照度、紅外傳感器，進(jìn)行實(shí)際的測量，以溫度傳感器為例，測量結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，采用無線通信，應(yīng)用于家居環(huán)境中，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集溫度、濕度、光照度等信息，且在PC終端顯示各項(xiàng)信息，并能根據(jù)控制端的指令無線控制終端節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線控制智能家居中的設(shè)備。采用ZigBee技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，無需布線，也無需對(duì)室內(nèi)電線作任何改動(dòng)，安裝簡單、易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉、具有測量準(zhǔn)確、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 趙凱，龔仁喜. 基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2009（8）：127-129.

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