基于ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的設計

隨著無線通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的深入發(fā)展，將無線通信技術應用在智能家居控制領域今后的發(fā)展趨勢。目前智能家居控制系統(tǒng)主要采用的是有線通信方式。包括串口線、以太網(wǎng)、同軸電纜等。有線通信方式的優(yōu)點是技術成熟、傳輸可靠、速度快，但需要進行大量的布線工作，可擴展性差，成本也高。與其他短距離無線技術相比，基于ZigBee技術的無線傳感網(wǎng)絡以其低復雜度、低成本、低功耗等特點成為了組建智能家居控制網(wǎng)絡的首選方案。本文針對現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種基于ZigBee智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。

1 ZigBee無線通信技術簡介

ZigBee起初是由IEEE 802.15工作組提出的，并制定規(guī)范了IEEE 802.15標準。ZigBee是基于此標準規(guī)范的一種近距離、低復雜度、雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中。Zigbee技術有如下主要特點：

1)低功耗：ZigBee由于傳輸速率低，并且支持休眠模式，因此具有低碳節(jié)能的效果。經(jīng)測試，在低耗電休眠模式下，用2節(jié)5號干電池可支持1個功能節(jié)點工作最長達24個月，由此在相同情況下，藍牙可工作1月左右，而WiFi工作時間僅有幾個小時，這是Zigbee的突出優(yōu)勢。

2)低成本：由于ZigBee標準協(xié)議的大幅簡化，降低了對通信處理器的要求，僅需要8位處理器，主節(jié)點需要32 kB的RAM，子功能節(jié)點的4 kB的ROM即可，在很大程度上降低了芯片的成本費用。

3)短時延：的響應速度非常快，從休眠狀態(tài)喚醒，進入工作狀態(tài)僅需15 ms，ZigBee各節(jié)點連接，進入網(wǎng)絡只需30 ms。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

4)數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應用。

5)網(wǎng)絡容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設備。

2 系統(tǒng)的總體設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

智能家居控制系統(tǒng)的設計主要包括基于ARM處理器網(wǎng)關服務器設計、基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的組建、控制終端的設計，被控制終端節(jié)點的設計。系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

ARM處理器為智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，智能手機和LCD觸摸屏作為控制終端，智能手機通過WiFi接入ARM控制中心，智能手機實現(xiàn)遠程控制，LCD觸摸屏實現(xiàn)本地近程

控制。ZigBee無線技術將被控終端組建成一個內(nèi)部無線局域網(wǎng)?；贏RM家庭內(nèi)部控制中心(家庭網(wǎng)關)接受來自遠程(智能手機)和本地(LCD觸摸屏)的控制指令，協(xié)調(diào)處理這些控制指令，來控制底層的家用設備。底層構建的基于ZigBee技術的無線局域網(wǎng)覆蓋燈光控制、窗簾控制、環(huán)境參數(shù)的采集、常用家電的控制。最終實現(xiàn)智能手機、LCD觸摸屏通過系統(tǒng)控制中心能實時協(xié)調(diào)控制基于ZigBee技術無線傳感網(wǎng)絡所覆蓋的常用家庭設備和采集環(huán)境參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設計

本系統(tǒng)是采用ZigBee無線技術組建的內(nèi)部局域網(wǎng)絡。ZigBee定義了兩種物理設備類型全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD(Reduced Function Devi ce)。FFD支持任何拓撲結(jié)構，可以充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，能和任何設備通信。RFD通常只用于星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構中，不能完成網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信。但它們的內(nèi)部電路比FFD少，因此實現(xiàn)相對簡單，也更節(jié)能。

ZigBee網(wǎng)絡支持3種功能設備：網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)、網(wǎng)絡節(jié)點(Network Node)及IEEE節(jié)點(IEEENode)。前兩種都是FFD，可以與任何節(jié)點通信。IEEE節(jié)點是RFD。

ZigBee有3種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構：星型(star)、簇樹型(Cluster)和網(wǎng)狀網(wǎng)(MESH)，具體采用哪種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，應考慮家庭網(wǎng)絡的實際情況。由于家庭電器設備分布在不同的房間，屋內(nèi)墻壁等障礙物多，因此通信信號會受到干擾，在綜合成本、靈活性、可靠性等多因素的考慮，本次智能家居控制系統(tǒng)采用星型(Star)拓撲方式，星型(Star)拓撲具有延時時間短、操作簡單等其他網(wǎng)絡拓撲結(jié)構沒有的優(yōu)點。星型(Star)拓撲結(jié)構如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)控制中心(ARM處理器)采用Samsung S3C2440處理器，采用外接DM9000以太網(wǎng)卡與USB WIFI模塊來接入以太網(wǎng)與WIFI網(wǎng)絡，通過串口控制ZigBee協(xié)調(diào)器，同時配置了觸摸屏支持本地觸摸界面操作。被控終端子節(jié)點主要由ZigBee子節(jié)點模塊、MCU控制單元與被控終端(燈光、窗簾、家電)組成。

Atmega16單片機作為控制單元通過串口接受來自ZigBee子節(jié)點的控制指令并產(chǎn)生了相應的控制指令控制被控終端。ZigBee模塊的微控制器是采用TI公司的CC2530，該芯片與控制單元通過串口通信。LED調(diào)光驅(qū)動芯片采用的是P4115，它是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，通過DIM引腳輸入占空比可調(diào)的PWM，便能輸出大小可調(diào)的橫流LED驅(qū)動電流，最大輸出電流可達1 A，最大能夠驅(qū)動25～30 W的LED。窗簾控制是采用步進電機，家電控制是采用紅外方式，溫度采集是采用ZigBee內(nèi)部集成的溫度傳感器。系統(tǒng)硬件框圖與被控子節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 服務器的設計

基于ARM平臺的控制系統(tǒng)移植了Linux操作系統(tǒng)，因此服務器的設計是基于Linux平臺的服務器的設計。由于Linux內(nèi)核代碼開源、內(nèi)核可裁剪，因此Linux成為嵌入式平臺操作系統(tǒng)的首先。Linux是類Unix系統(tǒng)，它繼承了Unix強大的功能和極佳的穩(wěn)定性，并降低了對硬件環(huán)境的要求。由于Linux的設計者重新改寫了TCP/IP協(xié)議，因此Linux具有更為穩(wěn)定和靈活的網(wǎng)絡性能。

服務器設計技術有很多，按使用的協(xié)議來分有TCP服務器和UDP服務器。按處理方式來分有迭代服務器和并發(fā)服務器。一個好的服務器，一般都是并發(fā)服務器。本系統(tǒng)也是設計成并發(fā)服務器。在客戶端朋艮務器模式中，將請求服務的一方稱為客戶(client)，將提供某種服務的一方稱為(server)。本系統(tǒng)就是采用的這種客戶、服務器(C/S)模式。服務器接受來自客戶端的控制指令后通過串口寫相應的指令Zigbee協(xié)調(diào)器。服務器是應用select模型實現(xiàn)的TCP并發(fā)服務器，服務器軟件流程圖如圖4所示。

4.2 被控終端軟件的設計

被控終端主要由ZigBee子節(jié)點模塊、MCU控制單元與被控終端組成?？刂平K端發(fā)送控制指令，經(jīng)過服務器通過Zigbee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給相應的Zigbee子節(jié)點。Zigbee子節(jié)點通過串口寫相應的指令給Atmega16單片機，單片機分別實現(xiàn)特定的功能(控制燈光、家電、窗簾)?？刂平K端單片機的工作流程圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 基于ZigBee的組網(wǎng)測試

基于ZigBee協(xié)議成功組建了一個星型網(wǎng)絡，一個協(xié)調(diào)器，3個子節(jié)點(網(wǎng)絡節(jié)點、IEEE節(jié)點)。協(xié)調(diào)器負責組建網(wǎng)絡，子節(jié)點接入網(wǎng)絡后實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器之間通信。通過串口助手對協(xié)調(diào)器與網(wǎng)綹節(jié)點之間的數(shù)據(jù)收發(fā)進行了測試。子節(jié)點接受數(shù)據(jù)時網(wǎng)絡通信方式為廣播方式，協(xié)調(diào)器每隔100 ms發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡節(jié)點。協(xié)調(diào)器接受數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡通信方式為點播方式，節(jié)點每隔100 ms向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表1所示。

5.2 系統(tǒng)的聯(lián)合測試

啟動Mini2440系統(tǒng)板(系統(tǒng)控制中心)并運行服務器程序和QT界面控制程序，啟動ZigBee協(xié)調(diào)器和子節(jié)點并連接與子節(jié)點相連接的被控終端，啟動客戶端程序。整個系統(tǒng)能穩(wěn)定協(xié)調(diào)運行。服務器能準確接收來自客戶端所發(fā)送的控制指令并寫相應的指令到與Mini2440開發(fā)板串口相連接的ZigBee協(xié)調(diào)器。

服務器運行情況如圖6所示。QT界面程序能實現(xiàn)對常用設備的本地控制，QT控制界面如圖7所示。主控制界面如圖7(a)所示，燈光控制界面如圖7(b)、家電控制界面如圖7(c)

所示。

6 結(jié)論

本文基于ZigBee無線通信技術、以ARM處理器為控制中心提出了一種智能家居的整體架構和解決方案。在ARM平臺上搭建一個并發(fā)服務器和一個QT界面程序。能協(xié)調(diào)接受來自智能手機和LCD觸摸屏發(fā)來的控制指令并且正確控制相應的被控終端。達到了智能家居控制系統(tǒng)控制智能、方便、可擴展性好等優(yōu)點。通過實際測試系統(tǒng)比較穩(wěn)定，人機界面友好，達到了設計要求。由于篇幅有限相關基于安卓平臺的客戶端程序的開發(fā)、組網(wǎng)設計、終端設計等技術細節(jié)就沒敘述。