胡 軍， 趙國軍

(1. 浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實訓(xùn)中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023)

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基于ZigBee的智能家居體驗中心系統(tǒng)組網(wǎng)方案

胡 軍1， 趙國軍2

(1. 浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實訓(xùn)中心， 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023)

根據(jù)智能家居的功能特點和發(fā)展趨勢，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生對智能家居獲取感性認識的需要，提出基于ZigBee的智能家居體驗中心系統(tǒng)(簡稱智能家居系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。本方案將ARM技術(shù)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以ARM11處理器S3C6410芯片為核心搭建系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制平臺，硬件采用“核心板十擴展板”層次模塊化設(shè)計，軟件開發(fā)嵌入式WINCE6.0操作系統(tǒng)；家庭內(nèi)部局域網(wǎng)利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備采用TI公司CC2530芯片。本方案通過嵌入式開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了對智能家居系統(tǒng)的集中管理和遠程控制，體現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，具有良好的通用性和可擴展性。借助于該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)能夠完成一系列的教學(xué)活動。

ZigBee； 智能家居； S3C6410； CC2530； ARM11

0 引 言

智能家居(Smart Home)借助于無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)，通過系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制平臺將家庭中照明系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、家用電器等各種終端設(shè)備相互連接并接入Internet、WiFi或3G等外部網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠采用便捷的智能化方式對各種家庭終端設(shè)備實現(xiàn)集中管理和遠程控制[1-2]。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件類別多樣化，硬件處理數(shù)據(jù)能力不斷提高。智能家居產(chǎn)品將擺脫以往的發(fā)展模式和設(shè)計理念，以實用為核心，操控簡單、人性化、網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式無線智能家居控制系統(tǒng)是未來智能家居的發(fā)展方向，集成化、節(jié)能環(huán)保、標準化、無線化將是智能家居行業(yè)的大勢所趨[3]。

無線通信扮演越來越重要的角色，它可以擺脫物理連接上的限制，隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)獲取信息。同時低功耗、微型化滿足人們對當前無線通信產(chǎn)品的基本要求。本文提出的智能家居網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案采用ZigBee技術(shù)，該技術(shù)是一種短距離、低功耗、低速率、大容量及具有自組網(wǎng)方式無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，非常適合于用來組建智能家居系統(tǒng)家庭內(nèi)部局域網(wǎng)，本文所有的家庭內(nèi)部通信模塊將以此作為基礎(chǔ)來進行設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)職業(yè)教育發(fā)展需要，本文設(shè)計一套成本不高，功能較完善，能夠體現(xiàn)家庭智能、適用性強的智能家居系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)能夠強化學(xué)生對智能家居產(chǎn)品的安全、舒適、智能、高效的體驗感受，加深學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的認識。通過智能家居系統(tǒng)能夠完成一系列的教學(xué)活動：

(1) 認知教學(xué)。使學(xué)生明白物聯(lián)網(wǎng)的概念及實體表現(xiàn)形式，所具備典型功能。

(2) 技能教學(xué)。以智能家居系統(tǒng)為主線，使學(xué)生學(xué)習掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)體系更容易，如傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)。

(3) 應(yīng)用教學(xué)。以智能家居系統(tǒng)作為平臺，可以使學(xué)生完成一系列二次開發(fā)任務(wù)，如智能照明、智能遙控、環(huán)境監(jiān)控。

在本設(shè)計中，智能家居系統(tǒng)采用ARM技術(shù)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合方案實現(xiàn)，總體結(jié)構(gòu)主要由家庭智能網(wǎng)關(guān)、家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。采用低功耗、低成本、低傳輸速率、大容量及具有自組網(wǎng)方式的ZigBee 無線技術(shù)作為智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部組網(wǎng)方式，ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分別采集溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧等環(huán)境信息和安防信息，并控制各個房間的照明、家電設(shè)備[4]，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備采用TI公司CC2530芯片；以ARM11處理器S3C6410芯片為核心搭建系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制平臺，采用嵌入式WINCE6.0作為操作系統(tǒng)；家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通過智能網(wǎng)關(guān)與internet、Wi-Fi或3G網(wǎng)絡(luò)連接[5]。本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

(1) 無線組網(wǎng)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有低速率、低功耗、低成本的特點，符合普通大眾對智能家居系統(tǒng)的要求，家庭內(nèi)部節(jié)點設(shè)備之間互聯(lián)構(gòu)成局域網(wǎng)。

(2) 智能網(wǎng)關(guān)控制。設(shè)計一個智能網(wǎng)關(guān)使ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet、WiFi或3G外部網(wǎng)絡(luò)，用戶可遠程查看和控制家庭設(shè)備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控[6-7]。

(3) 家用設(shè)備控制功能。每個家用設(shè)備都安裝有傳感器，作為傳感網(wǎng)節(jié)點聯(lián)入家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，用戶可通過控制終端對網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備進行控制。

(4) 家庭安防功能。節(jié)點上傳感器檢測室內(nèi)煙霧、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，如果超出安全標準，則發(fā)出報警警示，智能網(wǎng)關(guān)及時做出相應(yīng)處理[8]。智能家居系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)框架示意圖

2 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案分析

2.1 ZigBee 技術(shù)概述

ZigBee是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于2.4GHz國際免費頻段ISM[9]。ZigBee規(guī)范是以國際電子電機工程協(xié)會(IEEE)所制訂的802.15.4標準為基礎(chǔ)的，802.15.4標準定義了物理層(PHY Layer)及媒體介質(zhì)訪問層(MAC Layer)，在此基礎(chǔ)上ZigBee Alliance定義了網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應(yīng)用層(Application Layer)[10]。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備[11]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和多個終端設(shè)備組成[12]。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器，可以有多個路由器和終端設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來看，常見ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有星型、樹型和網(wǎng)狀型三種形式。

2.2 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案的選擇

相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線組網(wǎng)方式靈活、易于擴展，移動性好，是目前智能家居系統(tǒng)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。家庭局域網(wǎng)絡(luò)比較合適選用的短距離無線通信技術(shù)必需具備：功耗低，可靠性和安全性高，擴展性好，不用申請無線信道等特點。可能應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)有無線保真技術(shù)(Wi-Fi技術(shù))、紅外技術(shù)(IrDA)、藍牙技術(shù)(Bluetooth)以及ZigBee技術(shù)，它們的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 幾項短距離無線通信技術(shù)的主要性能參數(shù)

ZigBee技術(shù)傳輸范圍較大，最高速率可達到250 kb/s，功耗及價格也低。物理層采用了擴頻技術(shù)，具有很高的可靠性和安全性[13]。另外，它還可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，擴展時最大可達65 535個節(jié)點，完全能夠滿足家居網(wǎng)絡(luò)信息傳送的基本要求。

3 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計

本方案選用三星公司的ARM11系列S3C6410微處理器為核心器件搭建智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制平臺，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中盡量使用典型的應(yīng)用電路，且預(yù)留相應(yīng)的擴展接口，為將來的擴展提供所需。本設(shè)計的硬件主要包括三個部分：智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計、通信模塊ZigBee技術(shù)的硬件實現(xiàn)及外圍電路的設(shè)計。

3.1 家庭智能網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計

家庭智能網(wǎng)關(guān)采用“核心板十擴展板”層次模塊化設(shè)計方案，以降低硬件電路的調(diào)試難度，并提供盡可能多的外設(shè)接口，使系統(tǒng)更加具有通用性和靈活性。核心板主要包括微處理器、存儲器等模塊，實現(xiàn)嵌入式最小硬件系統(tǒng)；擴展板集成系統(tǒng)所需要的外圍設(shè)備和接口電路[9]。核心板與擴展板通過插針接口連接，構(gòu)成功能強大、資源豐富的嵌入式智能網(wǎng)關(guān)控制平臺。智能網(wǎng)關(guān)控制平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

核心板主要由S3C6410微處理器、2×128M Mobile DDR RAM、256M NAND FLASH、電源模塊、時鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口等部分組成。DDR RAM用于支持系統(tǒng)軟件程序運行并處理數(shù)據(jù)。NAND FLASH用于保存Boot Loader、操作系統(tǒng)內(nèi)核映像文件和應(yīng)用程序。時鐘電路設(shè)計有四種不同類型的晶振電路，為微處理器系統(tǒng)和各種外設(shè)提供所需的時鐘信號。復(fù)位電路實現(xiàn)微處理器的手動復(fù)位。

擴展板是整個智能家居系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵所在，根據(jù)基于S3C6410和CC2530的智能家居系統(tǒng)的需求，集成有各種外設(shè)和接口。擴展板主要包括電源模塊、以太網(wǎng)接口模塊、音頻AC97電路模塊、 Camera、UART、COM、USB、SD卡接口以及與S3C6410核心板的接口電路等。本方案中，為便利智能網(wǎng)關(guān)與家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，擴展板加載了一個ZigBee模塊，組網(wǎng)時作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器使用。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)控制平臺的硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能家居系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方案設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要具有2.4 GHz ISM頻帶RF收發(fā)功能，還需具備一定的運算和存儲能力。故選用德州儀器TI公司生產(chǎn)的CC2530 F256作為節(jié)點ZigBee通訊模塊，CC2530是TI公司設(shè)計的ZigBee單芯片解決方案，集 2.4 GHz RF收發(fā)器和 MCU 于一體，專用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用，方便了用戶個性化的設(shè)計與開發(fā)[15]。CC2530F256片上集成高性能低功耗增強型8051內(nèi)核，具有豐富的外圍接口，包括256KB的FLASH和8KB的RAM，12 b的ADC、2路USART等外設(shè)和21個通用IO口，應(yīng)用電路設(shè)計只需添加極少的外圍元器件。

ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點按照其在網(wǎng)絡(luò)中的作用不同，分為傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三種類型，各類節(jié)點基本結(jié)構(gòu)非常相近。因此，本方案在ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計時采用一種通用的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的功能僅僅取決于CC2530芯片中燒寫的不同程序。通用ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點主要由CC2530、電源模塊、顯示模塊、傳感器模塊、串口、JTAG等外圍接口電路組成，典型的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 智能家居系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

4.1 ARM11智能網(wǎng)關(guān)軟件方案設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計采用了 ARM11系列S3C6410處理器加嵌入式WINCE6.0操作系統(tǒng)的方案，軟件的開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2005，WINCE智能設(shè)備應(yīng)用程序使

圖3 典型的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件電路結(jié)構(gòu)圖

用C++語言進行編寫。鑒于智能家居系統(tǒng)是對功能、成本、功耗等性能指標有明確限定的專用計算機系統(tǒng)，本方案采用非常適用于軟件硬件可裁剪的嵌入式開發(fā)技術(shù)，根據(jù)智能家居系統(tǒng)特定的應(yīng)用對軟件平臺進行定制。

智能家居嵌入式系統(tǒng)軟件平臺的開發(fā)流程如下：首先需要針對目標硬件平臺開發(fā)出相應(yīng)的板級支持包(Board Support Package,BSP),為嵌入式操作系統(tǒng)提供硬件接口,并實現(xiàn)下載軟件、引導(dǎo)程序等功能，然后根據(jù)功能需求定制系統(tǒng)內(nèi)核,經(jīng)過編譯、調(diào)試后即可下載至硬件平臺。最后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核生成相應(yīng)的軟件開發(fā)套件(Software Development Kit,SDK)進行特定應(yīng)用目標的嵌入式應(yīng)用程序軟件開發(fā)。

操作系統(tǒng)開發(fā)工具使用Visual Studio 2005專業(yè)版中的插件Platform Builder, Platform Builder是Microsoft 公司提供專門用來定制 WINCE6.0 操作系統(tǒng)的強大工具,為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個良好的開發(fā)環(huán)境,利用Platform Builder使得整個開發(fā)過程整合為一體。

在WINCE6.0 操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)智能家居監(jiān)控中心實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控家庭環(huán)境和遠程控制功能。一方面需要實時接收、處理家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示在顯示屏上，并通過Internet、Wi-Fi傳送到用戶的計算機或PAD終端上，使用戶能直觀地得到監(jiān)測點相關(guān)的環(huán)境參數(shù)；另一方面智能網(wǎng)關(guān)將處理后的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的報警值經(jīng)過比較判斷是否需要發(fā)送報警信號。

4.2 家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件方案設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線通信模塊采用了 CC2530芯片，軟件開發(fā)環(huán)境為 IAR Embedded Workbench，應(yīng)用程序使用C語言進行編寫；數(shù)據(jù)處理模塊采用ARM7，軟件開發(fā)環(huán)境為 KEIL uVision4。節(jié)點設(shè)計基于通用性及便于開發(fā)考慮，移植了TI 公司的 Z-Stack協(xié)議棧[16]。

協(xié)調(diào)器首先完成初始化，接著協(xié)調(diào)器根據(jù)DEFAULT_ CHANLIST 配置文件定義的某個頻段建立一個網(wǎng)絡(luò)。當節(jié)點是終端節(jié)點時，設(shè)備將會試圖加入該網(wǎng)絡(luò)，同時協(xié)調(diào)器把加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址存入地址表。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，ZigBee 協(xié)調(diào)器啟動任務(wù)輪換查詢，監(jiān)聽是否有網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)據(jù)接收處理、智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接收處理等任務(wù)。應(yīng)用層通過調(diào)用AF Data Request() 函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)。

終端節(jié)點首先完成初始化，主動查找協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)并加入，將讀取的傳感器信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點開始定時采集家居環(huán)境數(shù)據(jù)，單播發(fā)送給協(xié)調(diào)器，當相應(yīng)環(huán)境值超過設(shè)定值時，向協(xié)調(diào)器發(fā)送報警信息；設(shè)備控制類節(jié)點則等待協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點的軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點的軟件設(shè)計流程圖

5 結(jié) 語

本文提出的基于ZigBee無線傳感網(wǎng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，將ARM技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，具有低成本、低功耗、通用性和擴展性強等優(yōu)點?；诖朔桨冈O(shè)計的智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)家庭中大量傳統(tǒng)家電設(shè)備和信息終端的互連，方便集中控制和管理，實現(xiàn)對外部網(wǎng)絡(luò)的接入，完成對智能家居系統(tǒng)進行實時的遠程監(jiān)控和管理。系統(tǒng)測試環(huán)境包括照明系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、智能家電等12個終端節(jié)點，測試過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)上的指定用戶計算機和手機連接，用戶可通過安裝智能家居監(jiān)控軟件的計算機或手機查看傳感器檢測到的環(huán)境信息和各種家居設(shè)備的狀態(tài)，并對系統(tǒng)中的家居設(shè)備進行遠程操控。測試結(jié)果表明按照本方案所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)具有一定的可行性和可靠性，所構(gòu)建的家居環(huán)境能夠滿足學(xué)生對家居產(chǎn)品安全、舒適、便利的體驗，滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開展教學(xué)活動的需要，具有較高的參考價值和應(yīng)用價值。

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Research of Network Scheme for Smart Home Experience Center System Based on ZigBee

HUJun1,ZHAOGuo-jun2

(1. Department of Training Center, Zhejiang Changzheng Vocational &Technical College, Hangzhou 310023, China; 2. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

According to the characteristics and developing trend of smart home, and combined with needs of students of the Internet of Things, the paper puts forward a network scheme smart home experience system (hereinafter referred to as smart home system) based on ZigBee by which the students can obtain perceptual knowledge of smart home. The scheme combines the ARM technology with ZigBee wireless network technology, ARM11 processor S3C6410 chip is used as the core to form system gateway control platform. The scheme of " core board + expansion board" is used for hierarchical modular hardware design. The software is developed by embeding WINCE6.0 operating system. The family LAN is realized by using ZigBee technology, and the ZigBee network node equipment uses Texas Instruments Company CC2530 chips. This scheme with embedded development technology, realizes centralized management and remote control of smart home system, reflects the intelligence and network development trend for smart home system, and provides good versatility and expansibility. By means of this system, IOT specialty is able to complete a series of teaching activities.

ZigBee; smart home system; S3C6410; CC2530; ARM11

2015-04-05

浙江省教育科學(xué)規(guī)劃辦課題(2014SCG062)

胡 軍(1966-)，男，浙江杭州人，碩士，講師/工程師，主要從事無線通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面的研究工作。

Tel.:13305818706; E-mail:hj6606a@163.com

TP 393

A

1006-7167(2016)05-0130-04