王寧　王磊　趙海燕

1 引言

智能家居系統(tǒng)是計算機技術、網(wǎng)絡技術和通信技術的綜合應用，同時也是綠色建筑技術中智能化系統(tǒng)研究的一部分。家居控制系統(tǒng)中軟件相對比較穩(wěn)定，而硬件和通信技術是直接決定家居控制效率和穩(wěn)定性的主要因素，因此對于硬件和通信技術的實踐被廣泛開展，當前主要應用WiFi技術比較多，對于ZigBee技術和CC2530模塊的應用研究有限。

ZigBee技術作為一種新的通信技術，以其短距離、低功耗和速度快的優(yōu)點迅速得以應用，ZigBee采取了IEEE 802.15.4的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點，在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動化和工業(yè)監(jiān)控領域應用日益廣泛，具有廣闊的市場空間。

2 主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點

本系統(tǒng)采用計算機網(wǎng)絡、通信技術結合軟硬件開發(fā)平臺對智能家居對象控制技術進行研究并進行模擬仿真，圍繞著幾項內(nèi)容進行研究：CC2530芯片、紅外模塊、傳感器和繼電器的硬件結構、工作原理和應用；傳感器和繼電器技術及其應用；ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸技術和射頻芯片應用；相關輔助開發(fā)軟件的應用（硬件驅動和硬件處理軟件、軟件開發(fā)平臺）；圖像處理技術等。預期目標是以單片機CC2530嵌入式芯片為控制核心，并利用傳感器技術、無線網(wǎng)絡傳輸技術、射頻技術等設計和模擬開發(fā)智能家居控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點包括三方面。

（1）技術創(chuàng)新。采用ZigBee技術和紅外技術相結合的方式對硬件進行控制，使軟硬件技術結合的更加緊密，應用更加充分；實現(xiàn)了電視機和燈光的控制，結合多種傳感器，實時采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息并實時顯示，并配以閃爍燈和蜂鳴器預警功能。

（2）應用創(chuàng)新。開發(fā)過程中，可以生產(chǎn)有價值的中間價。采用VS2012作為開發(fā)平臺，C#作為開發(fā)語言開發(fā)的手機APP可以作為中間件進行學習和二次開發(fā)。通過應用CC2530模塊、ZigBee技術、紅外技術和傳感器等進行家居控制的開發(fā)可以對硬件和技術有更深的認識。

（3）理論創(chuàng)新。智能家居的控制可以有多種可行性理論，系統(tǒng)采用CC2530、ZigBee技術和紅外技術的組合目前已經(jīng)有所應用，但是在開發(fā)過程中，可以進行多次試探性實驗，有時會有意想不到的效果和收獲，這些資料可以保留下來，為繼續(xù)開發(fā)提供參考和開發(fā)靈感。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

系統(tǒng)分別采用C#和JAVA開發(fā)電腦和手機APP；采用IAR8.10作為硬件開發(fā)平臺，C語言作為開發(fā)語言，結合ZigBee協(xié)議棧程序、仿真器驅動和USB轉串口驅動、硬件燒寫程序Smartrf Flash Programmer進行代碼的開發(fā)和下載更新；系統(tǒng)采用CC2530模塊和紅外模塊，結合煙霧、人體紅外、溫度、光敏和濕度等多個傳感器，應用無線通信技術ZigBee和WiFi實現(xiàn)了模塊的連接和信息通信，通過客戶端APP操作平臺，實現(xiàn)對燈光、溫度、濕度、電視機和電風扇等家居用品進行智能控制。最終實現(xiàn)了對燈光的開關進行無線遙控；動態(tài)采集溫度和濕度并實時顯示，若所收集的數(shù)值超過預設數(shù)值時會報警；通過紅外技術和無線技術的結合，可以通過手機和電腦實現(xiàn)對電視機、機頂盒和電風扇的控制。系統(tǒng)的實現(xiàn)原理圖如圖1所示。

3.2 家居子對象實現(xiàn)原理

系統(tǒng)各個模塊的運行過程為：傳感器接到相應ZigBee模塊→無線把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊→串口→PC→Socket通信→安卓系統(tǒng)。

（1）燈光控制原理。協(xié)調(diào)器以關閉的方式建立網(wǎng)絡→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡→按終端模塊的S1按鍵，無線發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器→協(xié)調(diào)器收到按鍵信息后，交替亮滅。

（2）溫濕度實現(xiàn)原理。調(diào)器以廣播的方式建立網(wǎng)絡→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡→終端周期性調(diào)用測溫濕度并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器函數(shù)，向協(xié)調(diào)器無線傳送溫濕度數(shù)據(jù)→協(xié)調(diào)器接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，通過串口傳輸給電腦，在電腦界面APP程序中顯示出來。

（3）光敏實現(xiàn)原理。協(xié)調(diào)器以廣播的方式建立網(wǎng)絡→終端以向協(xié)調(diào)器單播的形式加入網(wǎng)絡→終端周期性調(diào)用測光強并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器函數(shù)，向協(xié)調(diào)器無線傳送光強數(shù)據(jù)→協(xié)調(diào)器接收到光強數(shù)據(jù)后，通過串口傳輸給電腦，在電腦界面APP程序中顯示出來。

（4）人體紅外實現(xiàn)原理。人體紅外終端→無線→ZigBee協(xié)調(diào)器→串口→PC界面程序顯示是否有人。

（5）繼電器實現(xiàn)原理。PC-串口→ZigBee協(xié)調(diào)器→無線→ZigBee終端節(jié)電器開合。

綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

4 網(wǎng)絡構建

4.1 芯片選型

ZigBee網(wǎng)絡中硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器在無線收發(fā)模塊的協(xié)助下完成ZigBee網(wǎng)絡的組建與控制、數(shù)據(jù)采集與處理以及ZigBee協(xié)議棧的正常運行等工作。經(jīng)過分析，根據(jù)成本與操作可行性等因素選擇了具有微處理器模塊和無線收發(fā)模塊功能的單芯片CC2530。CC2530在網(wǎng)絡硬件平臺中的功能包括三方面：通過A/D口控制傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集；控制無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過I/O口控制相應主機。另外，傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過I/O口與微處理器相連；通過RS232接口可實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點與PC機的通信。為了指示網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)，在硬件設計中加入兩個狀態(tài)指示燈，使用220歐的限流電阻分別接在微處理器芯片的P10和P11口，用于指示設備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)以方便開發(fā)人員觀察。

4.2 家居對象控制子網(wǎng)的構建

4.2.1家居對象主節(jié)點

家居主節(jié)點作為協(xié)調(diào)器處于ZigBee網(wǎng)絡的最上層，其功能較為復雜。一方面它負責家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的建立，包括系統(tǒng)初始化、地址的分配、網(wǎng)絡的建立、成員的加入、節(jié)點設備數(shù)據(jù)的更新和數(shù)據(jù)轉發(fā)表等工作；另一方面，它作為家庭網(wǎng)關和設備節(jié)點之間的橋梁，完成家庭網(wǎng)關和家居設備節(jié)點的通信。系統(tǒng)上電后，家居主節(jié)點首先選擇一個空閑信道，采集活動節(jié)點的信息，并為其分配一個唯一的節(jié)點編號，完成系統(tǒng)地址表的初始化；在系統(tǒng)運行過程中，家居主節(jié)點要與多個設備節(jié)點進行通信，并對它們進行相應的控制；家居主節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結構和節(jié)點狀況的改變，如設備節(jié)點的拆除和插入，更新、休眠和喚醒等功能以實現(xiàn)網(wǎng)絡的自組織功能。

4.2.2家居對象子節(jié)點

家居對象子節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡中作為終端設備，由ZigBee通信模塊、執(zhí)行器、傳感器和繼電器等共同構成。ZigBee模塊在智能家居系統(tǒng)中以無線通信的方式組建網(wǎng)絡，設備節(jié)點負責監(jiān)測一定范圍內(nèi)的環(huán)境狀況、收發(fā)信號并進行數(shù)據(jù)處理。設備節(jié)點的終端對象主要包括環(huán)境燈光控制、溫濕度監(jiān)測、家電控制、控制和報警信號采集等節(jié)點。設備節(jié)點主要包含射頻收發(fā)模塊和傳感以及兩者之間的接口控制，射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網(wǎng)絡節(jié)點的通信接口，進行網(wǎng)絡中各個節(jié)點設備的無線連接及信息的收發(fā)。系統(tǒng)的終端傳感主要負責環(huán)境溫濕度、火災或有毒氣體或非法闖入等意外情況的探測和信息采集以及對各種家居的控制。終端節(jié)點在網(wǎng)絡組建完成后即可關閉收發(fā)器而進入節(jié)電模式，開始離線工作，但這并不影響網(wǎng)絡的連通性。

4.2.3 ZigBee子網(wǎng)通訊

家居主節(jié)點通過建立起來的ZigBee網(wǎng)絡向遠端的家居設備節(jié)點發(fā)出請求幀來查詢或者執(zhí)行命令，指定的家居設備節(jié)點收到正確的數(shù)據(jù)幀并完成指定操作之后會自動返回一個應答幀告知其執(zhí)行的結果。為了使設備能夠識別出發(fā)送給自己的信息的含義，家居設備節(jié)點和家居主節(jié)點必須遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議。家居主節(jié)點對家居設備節(jié)點的操作有兩種，一種是查看設備節(jié)點的狀態(tài)，另一種是對設備節(jié)點進行功能性的操作。

4.3 家庭網(wǎng)關的構建

ZigBee無線通信技術完成了家居對象控制網(wǎng)絡的組建，但是用戶一旦離開家便無法了解家居對象的狀況和對家居設備進行遠程控制。因此，家庭網(wǎng)關充當了家庭控制網(wǎng)絡和外網(wǎng)的接口，它既可以與家庭內(nèi)部的子網(wǎng)設備進行通信，也可以與外部Internet進行通信，它可以將外部網(wǎng)絡中發(fā)送的控制命令通過家庭內(nèi)網(wǎng)傳遞到相應的家居設備。家庭網(wǎng)關應具備具有控制接口和協(xié)議轉換兩個主要功能。家庭網(wǎng)關是由硬件和軟件共同組成，家庭網(wǎng)關和家居主節(jié)點之間使用串口連接，通過PC支持多種設備接口進行網(wǎng)絡支持，能很方便地實現(xiàn)控制和網(wǎng)關功能，還可以根據(jù)實際需要定制軟硬件和接口，從功能、可靠性和成本等各方面考慮更適應智能家居系統(tǒng)。如果傳感器電壓過低，它可能會輸出錯誤信息，因此家庭網(wǎng)關必須監(jiān)測設備節(jié)點的電量，發(fā)現(xiàn)節(jié)點電量低時應發(fā)出相應警報、拆除該節(jié)點并將相應的信息發(fā)送給遠程控制終端。

5 系統(tǒng)測試及實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)配置注意事項

（1）系統(tǒng)軟件的開發(fā)和運行環(huán)境為Win7、64位的電腦，在此基礎上調(diào)試運行并打包發(fā)布的，因此若不是此系統(tǒng)配置，需要重新運行開發(fā)環(huán)境并進行系統(tǒng)配置。

（2）系統(tǒng)開發(fā)的手機客戶端需要運行在Android 2.2以上的版本上。

（3）由于CC2530開發(fā)板的空間問題，多個傳感器（溫度、濕度、煙霧和光敏傳感器）在安裝的時候需要部分彎曲，要注意力度。

（4）仿真器：硬件的程序需要通過仿真器去連接下載到相應的硬件中。

（5）電視機的機頂盒和電風扇：必須是帶有遙控功能。

（6）安裝IAR8.10、zigbee協(xié)議?！猌stack-251A、Smartrf Programmer、仿真器驅動Smartrf04EB和USB轉串口驅動等軟件。

5.2 系統(tǒng)測試及結論

系統(tǒng)測試包括硬件、軟件和通信三部分，系統(tǒng)部分硬件連接圖和整體連接圖，如圖3和圖4所示。硬件連接后開啟網(wǎng)絡和各個硬件的開關，經(jīng)過測試實現(xiàn)了溫濕度、光敏、煙霧和人體紅外信息的實時采集和顯示，超出預設值蜂鳴器會預警提示；實現(xiàn)了電視機、機頂盒和風扇的開關音量和風力的控制。另外，該系統(tǒng)參加了2015年天津市物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應用設計競賽并獲得了二等獎。智能家居控制技術因其昂貴的價格和后期維護費用一直使人們望而怯步，但隨著人們生活水平的提高，已經(jīng)有一些住宅安裝了家居智能控制系統(tǒng)，并且家居智能化會是將來房地產(chǎn)裝修的主要發(fā)展方向。

參考文獻

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