王明沂 李丹丹 徐唱 江雨舟 馮志

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基于ZigBee和STM32的智能家居系統(tǒng)的研究

王明沂 李丹丹 徐唱 江雨舟 馮志

重慶郵電大學(xué)，重慶 400065

針對(duì)智能家居系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)了融合ZigBee和GPRS通信技術(shù)的家電控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。討論了以STM32為核心的硬件平臺(tái)，以嵌有ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和GPRS無(wú)線通信模的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；重點(diǎn)介紹了ZigBee如何實(shí)現(xiàn)串口通信和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，以及STM32和GPRS的無(wú)線通信。

智能家居系統(tǒng)；ZigBee；GPRS；無(wú)線通信；STM32

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和電子信息技術(shù)的全面普及，家庭信息化、家電網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)。早期的智能家居系統(tǒng)采用有線傳輸采集數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在隨著互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，在智能家居系統(tǒng)中呈現(xiàn)出無(wú)線的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)采集數(shù)據(jù)和GPRS無(wú)線通訊技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，滿足了效率高、靈活性的要求[1]。

1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需要的一系列通信協(xié)議?；赯igBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHZ、915MHz和2.4GHZ，最大數(shù)據(jù)傳輸速率250kbps[2]。

傳感器節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通信效率高。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了契機(jī)[3]。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按通信能力可分為兩種全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備。實(shí)際上，從節(jié)點(diǎn)的功能角度出發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)[4]。

1.2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星形拓?fù)?、樹形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用層不作參與[5]。

1.3 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)簡(jiǎn)介

ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了MaC和PHY層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧則定義了網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層和安全服務(wù)層的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee2007規(guī)范定義了ZigBee和ZigBee Pro兩個(gè)基本特性集[6]。

本文以ZigBee2007協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合智造者科技有限公司的CC2530-EB ZigBee 多功能開發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。

1.4 ZigBee協(xié)議棧中串口應(yīng)用

本文用協(xié)調(diào)器建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)中，然后終端節(jié)點(diǎn)周期性地采集溫度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到溫度數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口將其輸出到STM32單片機(jī)[8]。

1.5 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理

用協(xié)調(diào)器周期性以廣播的形式向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，每隔5s廣播一次，終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，使開發(fā)板上的LED狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（如果LED原來(lái)亮，則熄滅LED；如果LED原來(lái)指示是滅的，則點(diǎn)亮LED），同時(shí)向協(xié)調(diào)器發(fā)送“Light Off”字符串，協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口輸?shù)綌U(kuò)展在STM32上的顯示屏中[9]。

2 STM32和GPRS的無(wú)線通信

2.1 微控制器模塊

STM32是一款基于CORTEX-M3內(nèi)核、高性能、低成本、低功耗的微控制器。它的時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算。內(nèi)嵌128KBFLASH程序存儲(chǔ)器。豐富的外設(shè)，UART、SPI等串行接口以及最大翻轉(zhuǎn)率18MHz的GPIO。所以使用STM32作為核心控制器是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

STM32FIO3RBT6采用LQFP64封裝，GPIO中PAO，PA1，PA2，PA3分別接到SIM900GPRS模塊的7，8，9，10引腳，作為GPRS通訊引腳使用，串口1（PA8，PA9）與數(shù)據(jù)采集模塊連接，STM32的PA5連接SIM900的引腳1，利用電平的高低變化控制SIM900模塊的開關(guān)。

2.2 GPRS模塊

SIM900是SIMCom推出的一款新型無(wú)線模塊，它屬于四頻GSM/GPRS模塊。完全采用SMT封裝形式，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器。此模塊性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高，能滿足使用者的要求。其采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，支持標(biāo)準(zhǔn)的支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

2.3 通信原理

SIM900和STM32之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過(guò)端口RXD與UART2_TXD，TXD與UART2_RXD之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成。STM32處理器發(fā)送AT指令，控制GPRS模塊，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，初始化串口。在GPRS通訊過(guò)程中，需要使用到一些重要的參數(shù)，主要的配置項(xiàng)有設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置移動(dòng)終端類別、激活GPRS。建立連接STM32利用AT指令控制GPRSModem連接服務(wù)器，連接成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的透明傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線智能家居系統(tǒng)內(nèi)部組網(wǎng)進(jìn)行了深入的討論，主要探討基于zigbee個(gè)GPRS的無(wú)線通訊技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一套高效、簡(jiǎn)單的方案。但是由于知識(shí)有限，還有相當(dāng)?shù)膯?wèn)題沒有得到解決，希望以后可以更加完善、實(shí)用。

[1]姜浩.基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在智能家居領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[2]何朝.基于ZigBee技術(shù)的智能家居數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[3]秦茂盛.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[4]鄒麗.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2011.

[5]趙虹鈞.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[6]馬菁菁.Zigbee無(wú)線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[7]李濤.基于STM32的GPS車載終端的設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

[8]張衛(wèi)華.基于STM32的灌區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[D].咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[9]應(yīng)卓君.面向家庭的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

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