劉雅琴 任舒婷 遲方辰 孫堂正

摘 要：文中提出基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控的易操作、低功耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定的目標(biāo)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過使用多種類型的傳感器模塊單元，再運(yùn)用Z-Stack協(xié)議完成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了智能語音識別、燈光控制、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測以及GMS短信警報(bào)功能。最終，對ZigBee的通信距離及穩(wěn)定性進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);無線網(wǎng)絡(luò);智能家居;Z-Stack協(xié)議;語音識別;安防系統(tǒng)

中圖分類號：TP309文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

隨著科技日新月異，人們對住宅的要求也越來越高。一套溫暖舒適、穩(wěn)定可靠且兼具科技感的多功能智能家居系統(tǒng)往往會受到人們的青睞。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的普及，智能家居的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也更吸引人們的注意力。ZigBee技術(shù)是一種雙向互通無線通信技術(shù)，其技術(shù)方案介于藍(lán)牙技術(shù)和無線標(biāo)記技術(shù)之間，廣泛應(yīng)用于簡單、低速、距離短、能耗少、成本低的電氣信息設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換傳遞[1]。其在低數(shù)據(jù)速率無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面前景可觀。

目前智能家居處于蓬勃發(fā)展期，多數(shù)的產(chǎn)品滿足了人們的大部分需求，但是還存在一些不足，如缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格昂貴、 操作復(fù)雜。燃?xì)獾臋z測與報(bào)警處理是家庭安全防范的重要組成部分，同時(shí)隨著手機(jī)和人機(jī)交互的快速發(fā)展，人性化的設(shè)備越來越受到市場歡迎。分析了現(xiàn)有智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對比調(diào)研多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種可行的智能家居控制系統(tǒng)方案。該方案設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)硬件載體選用的是TI公司生產(chǎn)的CC2530，相應(yīng)搭配語音識別模塊的核心芯片是IC Route公司生產(chǎn)的LCD3320。GSM警報(bào)模塊的核心芯片是SIM800A，其通信接口兼容各種單片機(jī)，可直接與硬件連接進(jìn)行調(diào)試。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能語音識別、家庭中燈光控制、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測以及GMS短信警報(bào)功能，省去用戶不合理布線帶來的影響，也不存在自行安裝損壞產(chǎn)品、調(diào)試產(chǎn)品耽誤時(shí)間等缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)有點(diǎn)類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行雙向的無線通信，一般使用于距離近、功耗要求低和安全性高的無線網(wǎng)絡(luò)通信中[2]。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了以ZigBee協(xié)調(diào)器為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的設(shè)備要傳輸信息都需要通過協(xié)調(diào)器來進(jìn)行[3]。此結(jié)構(gòu)容易搭建，且適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目少、中距離無線傳輸信息的家居系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)中智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能終端及協(xié)調(diào)控制端。系統(tǒng)內(nèi)部由ZigBee 星型網(wǎng)絡(luò)組成，終端上的語音識別模塊和可燃?xì)怏w傳感器的狀態(tài)信息在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中自由傳輸。 當(dāng)用戶下達(dá)語音控制命令時(shí)，由語音識別模塊識別用戶的命令并將信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器對LED設(shè)備進(jìn)行控制，完成打開燈光、調(diào)節(jié)燈光亮度等操作。而在家庭無人的情況下，易燃?xì)怏w監(jiān)測成為主要的安全問題之一。當(dāng)終端設(shè)備上搭載的傳感器檢測到可燃?xì)怏w時(shí)，會立刻將信息傳送給協(xié)調(diào)器，從而觸發(fā)GSM短信報(bào)警模塊工作，向用戶發(fā)送短信。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 CC2530片上系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行智能家居系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，選用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)作為ZigBee模塊。CC2530是進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)的理想解決方案，使用CC2530進(jìn)行組網(wǎng)，成本低廉并且性能優(yōu)異[3]。CC2530片內(nèi)集成了RF收發(fā)器和增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，芯片內(nèi)可編程閃存最高可達(dá)256 KB，增添的3 dB/2.4 GHz的天線，完全滿足絕大數(shù)應(yīng)用的需求。TI公司同時(shí)也推出了相應(yīng)的協(xié)議棧Z-Stack。在該協(xié)議棧內(nèi)部植入了一個(gè)基于事件驅(qū)動的輪詢式操作系統(tǒng)OSAL，能很好地響應(yīng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的觸發(fā)時(shí)間[4]。

2.1.2 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。二氧化錫可與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧的負(fù)離子吸附，引起導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化?；陔妼?dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大的特點(diǎn)，即可靈敏地檢測可疑氣體的濃度。再利用簡單的電路設(shè)計(jì)即可將輸出電阻的變化轉(zhuǎn)換為該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對氫氣、烷類氣體的靈敏度高，對天然氣和煙霧的檢測也很理想。這種傳感器具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)迅速、驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)，可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)危險(xiǎn)氣體環(huán)境濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，TTL開關(guān)信號輸出低電平至終端節(jié)點(diǎn)P0_6端口;平時(shí)正常狀態(tài)時(shí)為高電平。

2.1.3 短信報(bào)警模塊SIM800A

SIM800A是一款由SIMCOM公司生產(chǎn)的GPRS通信模塊，支持GSM和GPRS兩個(gè)頻段，SMT封裝，具有極大的應(yīng)用價(jià)值[5]。SIM800A模塊與CC2530具有良好的兼容性，且性價(jià)比高、功耗低，得到報(bào)警信息后進(jìn)行無線傳輸向用戶發(fā)送短信，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.4 語音識別模塊

LCD3320是一款由IC Route公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等，可直接實(shí)現(xiàn)語音識別、聲控、人機(jī)對話功能。芯片集成的麥克風(fēng)將采集到的信號進(jìn)行頻譜分析，并采用二級指令控制方法提取語音特征[6]。通過IC Route公司特有的快速而穩(wěn)定的DSP優(yōu)化算法，完成非特定語音識別，準(zhǔn)確率高達(dá)95%。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)移植了TI公司推出的Z-Stack協(xié)議棧。協(xié)議是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議棧則可理解為協(xié)議與用戶之間的一個(gè)接口，開發(fā)人員通過使用協(xié)議棧來使用協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧建立在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層規(guī)范之上。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）由ZigBee聯(lián)盟來制定，每一層都自下而上地為上一層提供數(shù)據(jù)或服務(wù)[7]。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用程序支持子層（APS）和應(yīng)用程序?qū)ο螅╖DO）。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Z-Stack是經(jīng)過ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的ZigBee應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)平臺[8]，其目的是在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的工作區(qū)域中感知、收集和處理感知對象的信息，并將其發(fā)布給觀察者。Z-Stack軟件也因其出色的ZigBee與ZigBee PRO特性集被ZigBee測試機(jī)構(gòu)國家技術(shù)服務(wù)公司（NTS）評為ZigBee聯(lián)盟最高業(yè)內(nèi)水平。目前該軟件已為全球數(shù)以千計(jì)的開發(fā)人員采用。它裝載在一個(gè)基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里，配套完整穩(wěn)定的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具IAR Embedded Workbench的C交叉編譯器，組成了層次清晰，工具齊全的ZigBee應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行模塊的應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

星型結(jié)構(gòu)是WPAN最簡單的單跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)器為中心建立無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器必須為FFD設(shè)備[9]。它的功能包括創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、添加成員、數(shù)據(jù)管理與上位機(jī)交互等。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后分配終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，啟動網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可用來協(xié)助綁定建立安全層與應(yīng)用層。在智能家居系統(tǒng)中，各ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采集到的傳感器信息數(shù)據(jù)無線傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)端，協(xié)調(diào)端由信息判斷執(zhí)行操作。ZigBee協(xié)調(diào)端工作流程如圖4所示。

2.2.2 ZigBee終端設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序主要是實(shí)現(xiàn)加入網(wǎng)絡(luò)以及傳感器信息的采集和傳輸。本設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)過操作系統(tǒng)、應(yīng)用層等一系列初始化后，反饋判斷后加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新，終端開始循環(huán)收集語音識別模塊及氣體傳感器的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)端，協(xié)調(diào)端根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)對GSM報(bào)警模塊和LED照明進(jìn)行操控。ZigBee終端設(shè)備工作流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試

在對本智能家居系統(tǒng)搭建完成后，主要對系統(tǒng)的通信質(zhì)量和信息采集準(zhǔn)確率進(jìn)行測試。試驗(yàn)使用CC2530三塊開發(fā)板分別作為協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)動作，節(jié)點(diǎn)信息可通過TFT屏或串口助手顯示。

3.1 網(wǎng)絡(luò)組件測試

使用IAR Embedded Workbench軟件將協(xié)調(diào)器與終端程序編譯好，協(xié)調(diào)器上電后立即自動創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，搜尋子設(shè)備。協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)地址為0x0001。打開兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，成功加入網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址0x0002。再將終端節(jié)點(diǎn)電源關(guān)閉后打開，可從TFT屏上觀察到節(jié)點(diǎn)重新回到網(wǎng)絡(luò)，說明網(wǎng)絡(luò)有較好的安全性和自愈功能。分別測試語音識別模塊和GSM報(bào)警模塊，識別準(zhǔn)確，工作正常。圖6為語音命令時(shí)串口助手界面。

3.2 通信質(zhì)量與信息采集測試

將調(diào)試好的系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)分別布置在家中相應(yīng)位置，依次上電。用打火機(jī)在廚房終端附近模擬煤氣泄漏狀況，終端指示燈亮且協(xié)調(diào)器GSM模塊立刻發(fā)送報(bào)警信息。在房間入口或交接處終端附近開燈或關(guān)燈，協(xié)調(diào)端LED燈響應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)距離須保持在30 m內(nèi)，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)通信質(zhì)量穩(wěn)定，氣體傳感器及語音識別模塊采集數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確度較高。圖7為手機(jī)接收報(bào)警信息界面。

4 結(jié) 語

ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。本文采用ZigBee無線通信技術(shù)搭建了一套具有免布線、維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低的智能家居系統(tǒng)。在智能家居和商業(yè)樓宇自動化方面，將燈光、電視、安防等通過遙控器一手掌控，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)遙控方式更方便。開發(fā)語音識別功能可方便快捷地進(jìn)行人機(jī)交互，GSM警報(bào)功能則能快速高效地滿足家庭無人環(huán)境下實(shí)時(shí)安防的需求。測試結(jié)果表明，基于ZigBee技術(shù)的智能家居研發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、靈敏度高，便于功能擴(kuò)展，在智能家居市場有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]陳新奮，彭銀橋.基于STM32和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019，8（21）：16-18.

[2]梁湖輝，張峰，常沖，等.基于ZigBee的變電站檢測報(bào)警系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（12）：121-124.

[3]張文海.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2015.

[4]陸欣云，盧松玉，趙家城，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（12）：193-195.

[5]劉子峰.獨(dú)居老人室內(nèi)安全監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)[D].大連：大連交通大學(xué)，2018.

[6]張靈健，郝萬君，陳嘉華，等.基于ZigBee的分布式家庭語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（2）：16-19.

[7]萬幸.基于ZigBee技術(shù)家居環(huán)境改善系統(tǒng)研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2019.

[8]胡學(xué)良，張春，王志華.JTAG技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用綜述[J].微電子學(xué)，2005，35（6）：624-630.

[9]晏勇，周相兵.智能家居自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，36（11）：215-220.

[10]石榮會.淺析ZigBee無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].電腦迷，2018，16（12）：221.