茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 呂曉梅

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們生活質(zhì)量有了很大提升，越來越多的人追求家庭居住環(huán)境的智能化。傳統(tǒng)智能家居組件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于簡潔，連接節(jié)點較少，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不強(qiáng)。因此，本文根據(jù)人們對智能家居系統(tǒng)的實際需求，在zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種實用性強(qiáng)的智能家居系統(tǒng)，并對單片機(jī)、上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集與控制。zigbee技術(shù)具有低功耗、低成本、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點，在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用該技術(shù)，可以縮短開發(fā)應(yīng)用時間，減少生產(chǎn)成本。開發(fā)該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用CC2530芯片，能夠提高相關(guān)硬件系統(tǒng)的拓展性。

1 zigbee技術(shù)

zigbee技術(shù)運用無線通信模組建立點對點的通信方式，在設(shè)備處于休眠狀態(tài)時，能夠進(jìn)行65000個節(jié)點的通信請求與傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時，可以通過身份核對機(jī)制，確保傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性。從安全方面分析，zigbee技術(shù)主要有密碼設(shè)置、無線安全管理等方式，適用于不同業(yè)務(wù)場景，滿足人們的實際需求。ZigBee應(yīng)用在智能家居、樓宇自動化等環(huán)境中，可以控制家用電器、集中關(guān)機(jī)照明、采暖制冷等；應(yīng)用在工業(yè)自動化環(huán)境中，可以采集生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為工業(yè)生產(chǎn)提供安全保障；應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以監(jiān)測病人的體溫、血壓等，為臨床治療提供便利。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)利用無線模組技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運用一跳或多跳模式將局域網(wǎng)自動建立起來。zigbee技術(shù)具有低功耗、低成本、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點，但是會限制傳輸速率。與其他通信模式相比，網(wǎng)關(guān)運用zigbee協(xié)議通信具有低功耗、低成本、安全性高、通信距離近、網(wǎng)絡(luò)容量大、響應(yīng)速度快、自動組織與自愈性強(qiáng)等特點。

2 智能家居系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循實用性、安全性、便利性、規(guī)范性等原則，采用zigbee技術(shù)等，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能家居的燈光、溫度、濕度控制以及監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等功能。本設(shè)計應(yīng)用的是最新zigbee芯片cc2530，用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建組網(wǎng)，并利用各種傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計出實用性強(qiáng)的上位機(jī)顯示界面，通過PC端與手機(jī)端進(jìn)行合理的控制?；赯igbee技術(shù)對智能家居進(jìn)行監(jiān)控與管理，通過網(wǎng)關(guān)等設(shè)計，結(jié)合zigbee技術(shù)協(xié)議構(gòu)建傳感器與PC。利用該技術(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與節(jié)點之間的通信，并與串口連接起來，形成完整的傳輸鏈路。在實際應(yīng)用過程中，智能家居能夠?qū)Νh(huán)境中的監(jiān)測點、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測，在結(jié)構(gòu)中增加傳感器單元，形成完好的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如果監(jiān)控區(qū)域變大，利用節(jié)點復(fù)制技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通。如果監(jiān)控區(qū)域變小，通過減少網(wǎng)關(guān)節(jié)點，可以減少成本，降低資源損耗。具體見圖1。

圖1 智能家居結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

基于zigbee技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計，是為了更好的管控監(jiān)測對象，監(jiān)測內(nèi)容主要包括環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、氣體等。

第一，溫度。眾所周知人體溫度變化非常敏感，當(dāng)溫度在36℃后，每增加一度人體就會產(chǎn)生較大變化。所以，在進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)重點考慮環(huán)境溫度的影響。一般會在設(shè)定區(qū)內(nèi)增設(shè)溫度傳感器來采集溫度，并且借助協(xié)調(diào)器來傳送相關(guān)信息，最后經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇C端。所以，PC端可以不按照設(shè)置好的參數(shù)來控制空調(diào)溫度，運用自定義模式實現(xiàn)環(huán)境內(nèi)的溫度控制。在實際應(yīng)用中，可以通過加大協(xié)調(diào)器等對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的采集與分析，從而有效提升監(jiān)測的準(zhǔn)確程度。

第二，濕度。雖然與溫度相比，人們對濕度的感應(yīng)不太敏感，但是也會對人體健康造成影響，特別是對智能家居中的老人和孩子。當(dāng)前人們調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，主要是應(yīng)用加濕器和加熱器等設(shè)備。這些電器設(shè)備需要人工調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中容易出現(xiàn)一些不確定因素，甚至?xí)θ藗兊纳硇慕】诞a(chǎn)生威脅。在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，可以運用傳感器來采集環(huán)境內(nèi)的濕度，并且通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，傳送到PC端之后，經(jīng)過自動化、智能化分析，實現(xiàn)相應(yīng)的控制與管理。

第三，亮度。通過傳感器可以獲取房間內(nèi)的光感，根據(jù)捕獲到的光線強(qiáng)度，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到PC端，通過對比相關(guān)設(shè)定值，實現(xiàn)對燈開關(guān)與亮度的管控。如果房間內(nèi)的光線較強(qiáng)，可以通過控制燈泡關(guān)閉與窗簾合起，進(jìn)行智能化的節(jié)能管理。如果房間內(nèi)的光線較弱，需要控制燈泡打開或者窗簾折疊，進(jìn)行智能化管理。

由此可見，智能家居系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測，實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的實際管控，進(jìn)行智能化管理。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括計算機(jī)、手機(jī)、zigbee網(wǎng)絡(luò)。本次系統(tǒng)的主控芯片是CC2530，它本身帶有UART口。本次物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計，運用的轉(zhuǎn)換芯片是USB轉(zhuǎn)串口的CH340G，通過USB與CC2530來通信。終端節(jié)點硬件設(shè)計除了增加了傳感器模塊之外，其他的都與協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計相同。其中，所用的計算機(jī)是微型計算機(jī)，所用手機(jī)是Android系統(tǒng)手機(jī)。

首先是zigbee硬件模塊設(shè)計。本設(shè)計采用的是性能較高、功耗較低的，具備8051微控制器內(nèi)核、cc2530芯片的zigbee通信芯片，適用的收發(fā)器是2.4GHz IEEE 802.15.4，內(nèi)設(shè)非常豐富，主要包含2個UART、12位ADC和21個GPIO。此外，本次設(shè)計選用的芯片搭載zigbee協(xié)議棧Z-Stack2007（來自TI公司），在很大程度上縮短了設(shè)計周期。其次，電源設(shè)計。供電選用的是5V電源適配器，由于CC2530在工作時的電壓是3.3V，所以需要轉(zhuǎn)換電壓，運用ams1117-3.3芯片（來自AMS公司），該芯片是輸出電壓3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器。這種芯片適合小型計算機(jī)系統(tǒng)。最后，USB轉(zhuǎn)串口設(shè)計。串口轉(zhuǎn)換設(shè)計應(yīng)用的是CH340芯片（來自江蘇沁恒股份有限公司），該芯片是USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，主要是用來轉(zhuǎn)換USB串口，或者轉(zhuǎn)換USB打印口。在這種方式下，CH340為計算機(jī)擴(kuò)展異步串口提供MODEM信號，或者可以把普通串口設(shè)備與USB總線直接連接。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要支持對單品機(jī)軟件、上位機(jī)軟件、zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件以及串口軟件等系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。

第一，單片機(jī)軟件設(shè)計。本次單片機(jī)運用C52開展程序代碼編寫工作。等到該程序編寫完成后，可以運用仿真軟件來調(diào)試，通過程序運行來獲取仿真結(jié)果。如果得出的結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)相符合，那就可以把生成的HEX文件燒到單片機(jī)中。這一項工作完成之后，需要在通電的條件下運行，進(jìn)行全面測試。在這一過程中，需要設(shè)計的程序有溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，同時還應(yīng)當(dāng)編寫出相應(yīng)的無線傳輸程序。在設(shè)計軟件節(jié)點的過程中，需要對很多環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，才能完成程序開發(fā)工作。具體流程是安裝軟件平臺—編寫程序—生成可執(zhí)行文件—將文件寫入可執(zhí)行文件—進(jìn)行軟件調(diào)試。

第二，上位機(jī)軟件設(shè)計。上位機(jī)軟件可以為智能家居用戶提供人機(jī)交互界面，對設(shè)備終端的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該軟件可以接收與識別協(xié)調(diào)器傳送的原始數(shù)據(jù)，也可以將傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)顯示出來，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和存儲。上位機(jī)界面運用C#語言，利用Microsoft Visual Studio軟件進(jìn)行串口助手的編寫。串口助手可以將接收端發(fā)送到PC端的數(shù)據(jù)展示出來，并且將這些數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。通過Qt編寫的GUI圖形用戶界面，可以將智能家居內(nèi)部終端設(shè)備所監(jiān)測到的信息實時顯示出來，比如溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息，通過點擊房間執(zhí)行相關(guān)操作進(jìn)行終端節(jié)點的控制。

第三，zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計。在設(shè)計時，需要把所有數(shù)據(jù)全部傳送給協(xié)調(diào)器，因此必須要確保協(xié)調(diào)器的正常使用。在協(xié)調(diào)器通電后，板上的軟硬件會初始化并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。zigbee協(xié)議棧運行是建立在OSAL基礎(chǔ)上的，可以通過任務(wù)的形式開展相關(guān)的管理和調(diào)度。通過調(diào)用執(zhí)行API任務(wù)，促使多任務(wù)機(jī)制的形成。同時，要為節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，做好相應(yīng)的標(biāo)識。本設(shè)計中，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要是接收全部節(jié)點的數(shù)據(jù)，并在LCD顯示出來，再將這些數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控主機(jī)。

第四，串口軟件設(shè)計。要想合理應(yīng)用C++來實現(xiàn)串口通信，需要掌握Qt中的串口操作方法，每一種語言都可以提供相應(yīng)的串口讀寫操作。通過Qt提供的API通信函數(shù)，可以操作的步驟有：打開串口—得到串口句柄—配置串口參數(shù)。