常亞兵，鄭建立，2

（1．東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2．東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

常亞兵1，鄭建立1，2

（1．東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2．東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ARM和ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。實現(xiàn)了對智能家居環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)傳輸及對家用電器的智能控制。系統(tǒng)用戶可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)以手機短信的方式對家中電器的狀態(tài)進行查詢，還可以以短信的方式對家中智能電器進行遠程操作。

ARM；ZigBee；GSM；智能家居

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，當(dāng)前傳統(tǒng)的家居住宅僅作為一個簡單的居住物理空間，在很多方面已經(jīng)不能滿足當(dāng)前人們新的生活習(xí)慣和工作方式的需求。在這樣的背景下，智能家居的概念被人們提出來，智能家居系統(tǒng)也應(yīng)勢而生，并得到迅速發(fā)展。它不僅可以優(yōu)化人們的生活方式，還能在一定程度上緩解社會發(fā)展給人們工作上帶來的的精神壓力，給人們帶去既舒適安全，又簡單輕松的生活。隨著人民生活水平的提高，信息技術(shù)的快速發(fā)展，家居環(huán)境的遠程監(jiān)控已越來越成為人們的迫切需求。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的迅猛發(fā)展使這一切不再是夢想，智能家居正在越來越廣泛的進入到人們的生活之中［1］。

文中提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)以及GSM通信網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合ARM嵌入式技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)。

1　ZigBee技術(shù)

ZigBee，在中國通常被譯為“紫蜂”［2］，它是一種類似藍牙技術(shù)雙向無線通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)主要用于功耗低、近距離且傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。它與藍牙同屬于802．15協(xié)議家族。ZigBee協(xié)議具有低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本、低功耗等特點。ZigBee協(xié)議可以工作在2．4 GHz/868 MHz/915 MHz 3個不同的頻段，全球通用的是2．4 MHz，其中2．4 GHZ頻段上有16個信道，該頻段為免費、無需申請的無線頻段，其中工業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)所處頻段是整個全球所通用的，在這個頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率達到了250 kbps。在家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)中，也正是由于ZigBee協(xié)議的這些特點，使其比藍牙、Wi-Fi等其它短距離無線通信技術(shù)更適合于那些對環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、亮度以及等數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不是很高，而對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃?、資源、成本、功耗等有明確限制的應(yīng)用場合。

1.1ZigBee分層模型

IEEE 802．15．4/ZigBee協(xié)議是一種新興的短距離無線射頻通信協(xié)議。ZigBee規(guī)范是參照OSI 7層模型，ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）［3］等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層是ZigBee聯(lián)盟制定的。在ZigBee技術(shù)中，它的結(jié)構(gòu)體系通常是通過層來量化的，每一層根據(jù)體系的需求要向上一層提供各種服務(wù)，而且每一層有不同的責(zé)任。每層之間的接口的服務(wù)是由邏輯鏈路來提供的。ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee具有強大的自組網(wǎng)能力，現(xiàn)實設(shè)計中，可以考慮根據(jù)具體的實際項目需要來選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種基本的邏輯設(shè)備類型，分別為路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。目前，比較通用的3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為樹狀網(wǎng)、星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　ZigBee協(xié)議棧Fig．1　ZigBee protocol stack

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig．2　Topology structure of ZigBee network

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，支持兩種類型的物理設(shè)備:全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能備（RFD）。FFD支持任何類型拓撲結(jié)構(gòu)，可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)路由器，能與任何設(shè)備相互通信。RFD只能存在于星形拓撲結(jié)構(gòu)中，也不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，只能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信。

通常情況下，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備組成，而且每一個網(wǎng)絡(luò)只允許包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。星形網(wǎng)中有一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點，沒有路由；樹狀網(wǎng)事實上就是一個協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點距離較遠，需要另外加路由器的特殊“星狀網(wǎng)”；網(wǎng)狀拓撲是一種多跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在它的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有3種基本設(shè)備：終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器，一般情況網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一點，同時需要多個路由器進行組網(wǎng)，每個路由器節(jié)點都具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。終端節(jié)點通過中間路由器作用，它的數(shù)據(jù)可以跳轉(zhuǎn)到達協(xié)調(diào)器，只要節(jié)點在對方的通信范圍內(nèi)，就可以直接進行通信。鑒于實際的家居室內(nèi)環(huán)境，以及數(shù)據(jù)信息傳輸在短距離、空間范圍相對不大的領(lǐng)域內(nèi)，文中采用結(jié)構(gòu)相對較為簡單、便于實現(xiàn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行開發(fā)設(shè)計。

2　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)總體功能模塊圖如圖3所示。包括主控制模塊硬件設(shè)計和終端控制模塊硬件兩大部分。主控制模塊主要功能是實現(xiàn)用戶端和終端控制模塊的通信；終端控制模塊一方面用于實時采集家居信息（溫、濕度等物理量），另外用于接收用戶端命令并進行實時控制。

圖3　智能家居功能框圖Fig．3　Functional block diagram of the smart home

主控系統(tǒng)芯片使用S3C2440A微處理器，系統(tǒng)通過GPRS通信模塊實現(xiàn)與用戶無線通信，另通過ZigBee無線通信模塊操控終端控制平臺，終端控制平臺通過ZigBee通信模塊接受控制命令，并通過相應(yīng)的控制電路控制家用電器產(chǎn)生相應(yīng)的動作。系統(tǒng)用戶不僅可以隨時隨地的通過GSM網(wǎng)絡(luò)通過發(fā)送手機短信的方式對家中電器的狀態(tài)進行遠程查詢，也可以以發(fā)短信的方式對家中電器進行遠程操控。

2.1主控制模塊硬件設(shè)計

本系統(tǒng)基于ZigBee無線通信技術(shù)與GSM網(wǎng)絡(luò)進行家庭組網(wǎng)。主控制模塊由S3C2440A處理器芯片、ZigBee通信模塊CC2530、以太網(wǎng)模塊、顯示模塊、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)模塊TR800、串口模塊等部分組成。主控制模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)通過GPRS模塊實現(xiàn)與用戶無線通信，通過ZigBee無線通信模塊實現(xiàn)終端控制設(shè)備與主控制設(shè)備的信息傳輸并接受控制命令，也可以通過控制電路控制終端設(shè)備以及采集室內(nèi)物理數(shù)據(jù)信息（溫、濕度等物理量）［4］。

圖4　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig．4　Structure diagram of the smart home

主控芯片選擇S3C2440A處理器，其基于ARM920T核心，0．13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。低功耗，簡單，精致，且全靜態(tài)設(shè)計特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu)如先進微控制總線構(gòu)架（AMBA）。S3C2440A的突出特點是其處理器核心，是一個由Advanced RISC Machines（ARM） 公司設(shè)計的 16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16 kB指令高速緩存和16 kB數(shù)據(jù)高速緩存。每個都是由具有8字長的行（line）組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊和ZigBee無線通信模塊是通過串口與S3C2440A處理器相連的。GPRS通信模塊和ZigBee無線通信模塊的串口電平是相同的，都是標(biāo)準(zhǔn)的串口電平。串口接受電平+/-3 V～+/-15 V，發(fā)送電平為:+/-5 V～+/-15 V，由于S3C2440A處理器芯片所需的供電電壓為3．3 V，因此輸出的電平不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的串口電平，故需要對串口模塊電路進行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換來滿足標(biāo)準(zhǔn)串口電平。

主控系統(tǒng)中GPRS模塊部分由IWOW公司的TR800模塊和SIM卡電路兩部分組成，它通過串口與S3C2440A處理器相連，同時還與SIM卡電路相連。相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　GPRS功能框圖Fig．5　Functional block diagram of GPRS

CC2530無線通信模塊內(nèi)部業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型 8051 CPU，同時結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能［5］，還有系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB的RAM，以及其他許多其它強大的功能。CC2530通過串口與主控制板連接進行數(shù)據(jù)信息傳遞，實現(xiàn)與S3C2440A的通信功能。連接框圖如圖6所示。

圖6　ZigBee模塊與串口連接圖Fig．6　The connection diagram of ZigBee module and serial port

2.2終端控制模塊硬件設(shè)計

終端系統(tǒng)的硬件模塊，大致分為兩個控制模塊：家用電器的控制、模塊窗簾的控制模塊。終端控制硬件模塊框圖如圖7所示。

圖7　終端控制硬件模塊框圖Fig．7　Diagram of the terminal control hardware module

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

文中的軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要是針對控制部分的軟件設(shè)計?？刂撇糠周浖址譃橹骺囟讼到y(tǒng)軟件和執(zhí)行終端軟件，其中主控端處理器采用以linux-2．6．21．tar．bz2內(nèi)核為基礎(chǔ)移植的linux操作系統(tǒng)［6］。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計思想，是一個性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中控制部分的軟件運行也分為兩大部分，其中一部分運行在主控制平臺三星S3C2440A微處理器上，另一部分運行在控制終端平臺的AT89C51單片機上，系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

圖8　控制系統(tǒng)軟件流程Fig．8　The process of system control software

智能家居控制系統(tǒng)主控制平臺軟件部分執(zhí)行過程為：首先初始化硬件設(shè)備，通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查新指令到家用電器的處理器，從而可以獲得家用電器的開關(guān)狀態(tài)。然后再查詢用戶是否有相應(yīng)的按鍵操作，如果有按鍵操作，則執(zhí)行相應(yīng)的指令來操控家用電器中包含的處理器，下一步通過反饋的信息狀態(tài)更改家用電器的開關(guān)狀態(tài)同時顯現(xiàn)出來。假如沒有相應(yīng)的按鍵操作，系統(tǒng)將會繼續(xù)查詢有沒有收到系統(tǒng)用戶利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短信息，如果收到短信息，則解析命令，再執(zhí)行相應(yīng)的指令操作要求，和前面的執(zhí)行情況相同，通過反饋的信息更改家用電器的開關(guān)狀態(tài)同時也要顯示出來。

智能家居控制系統(tǒng)終端控制平臺軟件執(zhí)行流程為:首先也要初始化硬件設(shè)備，查詢主處理器是否通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來短信息，如果收到信息，則解析指令，同時系統(tǒng)將指向相應(yīng)的指令，進行對應(yīng)的操作流程，最后將修改完成后的家用電器的開關(guān)狀態(tài)反饋回來送回主處理器。

4　結(jié)束語

文中基于嵌入式ARM技術(shù)及ZiBee無線通信技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)。本文采用ZigBee無線通信的方式進行家居家電及設(shè)備內(nèi)部組網(wǎng)，無需布線，便于安裝。當(dāng)有新的家電設(shè)備加入時，只需要在新增加的家電設(shè)備中添加ZigBee無線通信模塊就能自動對其進行編址，從而可以實現(xiàn)對它的智能控制與監(jiān)測。系統(tǒng)功能采用先進的模塊化設(shè)計，配置靈活，具有良好的擴展性，容易擴充和增加新功能。

［1］馮凱，童世華．智能家居的由來及其發(fā)展趨勢［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（6）：7-7．

［2］王吉富，劉梧林，郭建光．基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究［J］．移動通信，2008（6）:29-32．

［3］丁雪蓮．ZigBee協(xié)議棧淺析［J］．電腦與信息技術(shù)，2013（5）：18-21．

［4］王瓊，李方偉，劉光明．無線局域網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的互通［J］．重慶郵電學(xué)院學(xué)報自然科學(xué)版．2001（2）:19-21．

［5］章偉聰，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點［J］．計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011（7）:1003-3254．

［6］邱?。度胧絣inux操作系統(tǒng)移植［D］．武漢理工大學(xué)，2004．

Design of smart home system based on ZigBee and GSM

CHANG Ya-bing1，ZHENG Jian-li1，2
（1.Colloge of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Digital Textile and Apparel Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

An smart home system based on ZigBee ARM technology and ZigBee wireless communication technology was designed and realized．Realization of collecting the smart home environment information，data transmission and intelligent control for the home appliances．The system users can send mobile SMS via GSM network to get the status of the home appliances，and can also manipulate the appliances remote by sending mobile phone SMS．

ARM；ZigBee；GSM；smart home

TN92

A

1674－6236（2016）02-0132-03

2015-03-11稿件編號：201503146

常亞兵（1987—），男，河南許昌人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。