常赟杰，張位勇，李桂香

（湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421002）

基于ZigBee和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常赟杰，張位勇，李桂香

（湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421002）

針對(duì)采用PC作為家庭網(wǎng)關(guān)可靠性差、體積大、成本高的缺點(diǎn)，提出采用ZigBee和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)。各傳感器節(jié)點(diǎn)和家居設(shè)備使用CC2420芯片組成家庭內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)采用S3C6410芯片搭建。用戶可以通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程接入網(wǎng)關(guān)，對(duì)家居環(huán)境和家居設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)具有低成本、低功耗、穩(wěn)定、體積小的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用性和較高的推廣價(jià)值。

智能家居；ZigBee；CC2420；嵌入式

0 引言

智能家居系統(tǒng)將家用電器和居家設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，然后部署控制系統(tǒng)，進(jìn)行智能化的控制。它可以為人們提供安全可靠的安保服務(wù)、更加有效的家居設(shè)備能耗管理，使人們的生活更加舒適、便利[1-2]。在智能家居組網(wǎng)方案中，ZigBee技術(shù)以低成本、低功耗、高靈活性、自組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)在智能家居系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前已有的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，大都采用使用PC組建家庭網(wǎng)關(guān)，這種系統(tǒng)具有成本高、體積大、可靠性差的缺點(diǎn)[5]。本文介紹了一個(gè)采用ZigBee傳輸數(shù)據(jù)信息和控制信息，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)關(guān)，用戶遠(yuǎn)程連接網(wǎng)關(guān)，向居家設(shè)備發(fā)送指令和控制信息，實(shí)現(xiàn)家庭智能化的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能家居網(wǎng)絡(luò)的總體框架如圖1所示，各個(gè)連接ZigBee無(wú)線通訊節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)和家居設(shè)備與Zig-Bee協(xié)調(diào)器組成了家庭內(nèi)網(wǎng)。主要節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器。網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心部分，用戶在遠(yuǎn)程通過(guò)智能手機(jī)或者瀏覽器的方式查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。用戶通過(guò)智能手機(jī)或者瀏覽器接入網(wǎng)關(guān)，遠(yuǎn)程查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視。若有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，用戶可使用4G模塊，通過(guò)PPP撥號(hào)的方式上網(wǎng)接入Internet。當(dāng)出現(xiàn)紅外、煙霧傳感器等警報(bào)信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)自動(dòng)通知用戶，并且能抓拍圖片并傳輸給用戶手機(jī)。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的中央處理器采用以ARM1176JZF-S內(nèi)核，主頻533MHz的嵌入式處理器芯片S3C6410。SDRAM芯片采用128MB的DDR內(nèi)存芯片，NAND Flash芯片存儲(chǔ)空間為1GB。4G模塊采用SIMTECH公司的SIM7100C，通過(guò)USB接口和S3C6410進(jìn)行通信。網(wǎng)關(guān)的攝像頭模塊采用OV9650模塊，該模塊使用ITU的RBT-601接口，圖像格式為YcbCr4:2:2。其他外圍電路包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000AE，兩個(gè)RS-232串口、7寸LCD液晶顯示屏。整個(gè)系統(tǒng)采用5V直流供電，網(wǎng)關(guān)使用RS-232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，ZigBee協(xié)調(diào)器和各個(gè)終端組建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)使用RS-232接口連接協(xié)調(diào)器，使用RJ-45接口連接網(wǎng)絡(luò)路由器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

協(xié)調(diào)器將接收到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。如圖2，協(xié)調(diào)器的主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)32位MCU LM3S9B96[6]。該處理器最大主頻為80 MHz，具有256 Kbyte Flash和96 Kbyte SRAM，集成了10/100MHz以太網(wǎng)接口。協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊采用CC2420芯片。CC2420是Chip-con公司生產(chǎn)的0.18um CMOS工藝RF收發(fā)芯片，性能穩(wěn)定且功耗極低，通信可靠，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

LM3S9B96和CC2420芯片之間采用SPI連接[7]，如圖3所示。CC2420的CSn、SI、SO和SCLK的四根SPI線連接LM3S9B96芯片的相應(yīng)SPI接口PE1、PH4、PF5和PF4引腳。LM3S9B96通過(guò)這四條線對(duì)CC2420進(jìn)行讀入或讀取配置信息，同時(shí)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。CCA管腳用來(lái)控制清除通道估計(jì)。SFD在發(fā)送或者接收完畢后開(kāi)始幀后置高電平，然后繼續(xù)發(fā)送和接收后面的數(shù)據(jù)。FIFOP是接收數(shù)據(jù)包判斷，F(xiàn)IFO為數(shù)據(jù)緩存判斷引腳。當(dāng)RX FIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO引腳上電平變高，一直到RX FIFO中數(shù)據(jù)為空時(shí)變?yōu)榈碗娖?。因此，處理器可以通過(guò)讀取FIFO引腳的電平狀態(tài)，判斷CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù)。

圖2 協(xié)調(diào)器電路

圖3 LM3S9B96和CC2420連接

家庭內(nèi)網(wǎng)的各種傳感器節(jié)點(diǎn)采用CC2420芯片加LM3S9B96微控器的方案。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)先由I/O接口傳給LM3S9B96微控器，然后通過(guò)SPI接口發(fā)送給CC2420，最后由CC2420通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。每個(gè)模塊采用的硬件如下：

（1）溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11，該芯片內(nèi)部集成14位A/D轉(zhuǎn)換器，濕度分辨率為0.03%RH（0-100%RH范圍），溫度分辨率為0.01℃（-40-123.8℃范圍），兩線數(shù)字輸出。

（2）煙霧和煤氣傳感器都采用MQ-2芯片。MQ-2是一種電阻控制型的氣敏器件，可以檢測(cè)氫氣、甲烷、液化氣和丙烷、一氧化碳、煙霧等氣體濃度。本設(shè)計(jì)采用E-WS標(biāo)準(zhǔn)總線與ZigBee采集節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）紅外線傳感器采用Melexis公司的MLX90614芯片，該傳感器芯片內(nèi)部集成了紅外溫度檢測(cè)芯片和信號(hào)調(diào)理ASIC，測(cè)量距離為10cm左右，采用I2C接口連接微處理器。

（4）物聯(lián)網(wǎng)燈光控制模塊通過(guò)繼電器連接CC2420芯片，該模塊接收Z(yǔ)igBee接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，控制燈的亮滅。

（5）電動(dòng)窗簾模塊通過(guò)接收Z(yǔ)igBee接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，控制窗簾馬達(dá)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，完成窗簾的開(kāi)、關(guān)、停止動(dòng)作。窗簾電機(jī)的電壓：220V，功率為45W，移動(dòng)距離為20cm/s，扭矩0.8Nm，承重50Kg。

（6）智能家電控制器通過(guò)CC2420芯片連接紅外線遙控器，將接收到的協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外指令對(duì)空調(diào)、電視機(jī)、音響和冰箱進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)文中所述，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如圖1所示智能家居系統(tǒng)，其中協(xié)調(diào)器，溫濕度、煙霧、煤氣、家電控制器、攝像頭以及窗簾控制器組成星型網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果如下：

協(xié)調(diào)器上電以后就可以快速組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，感覺(jué)不到延時(shí)。所有設(shè)備都在同一個(gè)房間內(nèi)，設(shè)備之間沒(méi)有障礙物阻擋，通信距離可達(dá)20m。如果設(shè)備處于不同房間，門窗全部關(guān)閉或者是設(shè)置障礙物，則通信距離降低到10m左右，還可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)和丟包的現(xiàn)象。傳感器節(jié)點(diǎn)掉電重啟后可以迅速加入網(wǎng)絡(luò)。在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器連接有幾秒鐘的延時(shí)，連接成功后，協(xié)調(diào)器可以及時(shí)響應(yīng)控制命令，設(shè)備狀態(tài)信息能正確顯示，傳感器數(shù)據(jù)采集正常，如圖4所示，視頻監(jiān)控畫(huà)面正常顯示，如圖5所示。紅外線傳感器能正確的探測(cè)到有人經(jīng)過(guò)，網(wǎng)關(guān)能調(diào)用4G模塊發(fā)送報(bào)警短信。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和家居設(shè)備以“CC2420芯片+LM3S9B96處理器”的方式組建家庭內(nèi)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)采用高性能嵌入式處理器S36410構(gòu)建，用戶可以通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)客戶端接入網(wǎng)關(guān)，對(duì)家居環(huán)境和家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。本設(shè)計(jì)采用嵌入式技術(shù)組建家庭網(wǎng)關(guān)，采用ZigBee技術(shù)組建家庭內(nèi)網(wǎng)，系統(tǒng)具有低成本、低功耗、穩(wěn)定、體積小和可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用性和較高的推廣價(jià)值。

圖4 溫濕度采集

圖5 視頻監(jiān)控畫(huà)面

[1]Ameena Saad A l-Sumaiti,Mohammed Hassan Ahmed,Magdy M.A.Salama.Smart Home Activities:A Literature Review[J].Electric Power Components&Systems,2014,42（3-4）：294-305.

[2]Ding D,Cooper R A,Pasquina P F,et al.Sensor Technology for Smart Homes[J].Maturitas,2011,69(2):131-136.

[3]劉歡,劉排,丁涵,等.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,23(14):180-182.

[4]宋玉琴,姬引飛,段俊瑞,等.基于Android和ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015(4):442-446.

[5]戴建,史志才,吳飛,等.基于三層架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù),2016(1):114-118.

[6]LM3S9B96Microcontroller Datasheet[DB/OL].http://www.ti.com/stellaris,2010.

[7]CC2420 Datasheet rev.1.2[DB/OL].http://www.chipcon.com/files/CC2420_Data_Sheet_1_2.pdf,2004.

Design of Smart Hom e System Based on ZigBee and Embedded System

CHANG Yun-jie，ZHANGWei-yong，LIGui-xiang

（Departmentof Computer and Information Science,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421002）

The Home Gateway constructed by PC has disadvantages in reliability,size and price.Proposes the design of smarthome system based on ZigBee and embedded system.Constructs the home networks by sponsor nodes and home appliances which is equipped with CC2420 chips,and builds the home gateway by S3C6410.Users can control and monitoring the remote smart home devices by connecting the gateway through smart phone and browser.This system has the advantages of low cost,low power consumption,stable and reliable,small in size,and it isworth of promoting.

Smart Home;ZigBee;CC2420;Embedded System

1007-1423（2017）12-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.12.019

常赟杰（1980-），男，山東臨沂人，碩士，講師，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee路由協(xié)議

2017-02-09

2017-04-10

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（No.13C207）、湖南工學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（No.HY13004）

張位勇（1981-），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、軟件工程

李桂香（1967-），女，湖南衡陽(yáng)人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用