基于ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張力 武漢城市職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程學(xué)院

1 系統(tǒng)整體方案

本次設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要基于家庭用的局域網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)、平板電腦等上位機(jī)可以通過(guò)局域網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電路的控制。智能家居系統(tǒng)中，還需要各類傳感器，以便對(duì)房屋內(nèi)的溫度、濕度、光照等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還需要將照明系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、家用電器等設(shè)備集成到系統(tǒng)中作為執(zhí)行器。傳感器檢測(cè)到的各種信息數(shù)據(jù)可以通過(guò)ZigBee 終端傳遞給ZigBee 協(xié)調(diào)器，再通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到上位機(jī)軟件中查看，也可以直接通過(guò)協(xié)調(diào)器，來(lái)控制執(zhí)行設(shè)備。系統(tǒng)中，上位機(jī)也可以直接根據(jù)傳感器采集的信息，對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 無(wú)線通信模塊

ZigBee 無(wú)線通信模塊可以以TI 公司出品的CC2530 芯片為核心來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，CC2530 是集合了增強(qiáng)型8051CPU 和ZigBee 通信模塊的SOC 解決方案，可以實(shí)現(xiàn)低成本的建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)中的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有兩種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）和終端設(shè)備（End-Device）。協(xié)調(diào)器是每個(gè)獨(dú)立的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備，主要角色是負(fù)責(zé)建立和配置網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID（也稱PAN ID），啟動(dòng)整個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)建立完成后，其可以作為普通節(jié)點(diǎn)功能使用。終端設(shè)備是Zigbee 實(shí)現(xiàn)低功耗的核心，終端設(shè)備沒(méi)有維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的職責(zé)，所以它并不是時(shí)刻都處在接收狀態(tài)的，大部分情況下它都將處于低功耗休眠模式，可以由電池供電。傳感器終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集信息向協(xié)調(diào)器發(fā)送；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集信息并對(duì)外廣播；執(zhí)行器終端設(shè)備依據(jù)條件判斷，接收協(xié)調(diào)器的廣播信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.2 溫濕度采集

現(xiàn)在很多人越來(lái)越重視室內(nèi)環(huán)境的舒適度，因此溫濕度信息采集是智能家居系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)?？梢允褂眯滦蛿?shù)字溫濕度傳感器SHT31，該型號(hào)的溫濕度傳感器具有高可靠性和高精度規(guī)格，并且結(jié)合了多種功能和各種接口（I2C、模擬電壓輸出），應(yīng)用友好，工作電壓范圍寬（2.4 至5.5 V），適合各類應(yīng)用。SHT31 可以通過(guò)I2C 接口直接與CC2530 芯片進(jìn)行連接，構(gòu)成溫濕度采集電路。

2.3 空氣質(zhì)量采集

室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測(cè)，可以使用MQ135 氣體傳感器。該傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其他有害氣體的檢測(cè)效果也很好。其內(nèi)部使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)室內(nèi)空氣存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染空氣的濃度的增加而增大，使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)再進(jìn)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可以很方便地由CC2530 進(jìn)行處理。

2.4 光照強(qiáng)度采集

室內(nèi)光照強(qiáng)度的采集，可以使用BH1750 芯片作為光照傳感器。該傳感器可以采集范圍0-65535lx 的光照度，傳感器內(nèi)置16 位的AD 轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字信號(hào)輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算，并且通過(guò)I2C 接口直接與CC2530 進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集。光照強(qiáng)度的信息可以由協(xié)調(diào)器發(fā)送給上位機(jī)，也可以直接設(shè)置，自動(dòng)控制照明電路。

2.5 照明電路

目前，家庭照明系統(tǒng)都開(kāi)始采用LED照明設(shè)備，功率更小，亮度更高。但是由于照明電路還是通過(guò)強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為弱點(diǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此在照明電路的設(shè)計(jì)上，需要加上繼電器電路，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制。固態(tài)繼電器既有放大驅(qū)動(dòng)作用,又有隔離作用,很適合驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，較之電磁繼電器可靠性更高，且無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、速度快，對(duì)外界的干擾也小。

2.6 紅外報(bào)警電路

智能家居系統(tǒng)中，防盜報(bào)警也是非常重要的一個(gè)部分，當(dāng)家中沒(méi)有人的時(shí)候，可以啟動(dòng)紅外報(bào)警功能。系統(tǒng)中采用SR602 微型熱釋電人體紅外傳感器，可以檢測(cè)最大5 米的范圍，由于成本很低，可以在室內(nèi)布置多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)。該傳感器與CC2530 的接口非常簡(jiǎn)單，待機(jī)時(shí)輸出低電平信號(hào)，當(dāng)范圍內(nèi)出現(xiàn)人的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)輸出高電平信號(hào)。CC2530 可以根據(jù)電平的信號(hào)，控制蜂鳴器或者語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Z-Stark 協(xié)議棧

本系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信是由ZigBee 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而要想組成ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)，需要先建立ZigBee 的通信協(xié)議，本系統(tǒng)可以使用Z-Stark 協(xié)議棧。協(xié)議是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收。協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，可以理解為代碼、函數(shù)庫(kù)，供上層應(yīng)用調(diào)用，協(xié)議較底下的層與應(yīng)用是相互獨(dú)立的。使用Z-Stack 協(xié)議棧只需要關(guān)注應(yīng)用邏輯，如何發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如何存儲(chǔ)和處理；如何加入某個(gè)網(wǎng)絡(luò)。所以當(dāng)做具體應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)的功能只需要調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)接收函數(shù)、睡眠函數(shù)、喚醒函數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要關(guān)心協(xié)議棧是怎么寫(xiě)的。

3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建需要對(duì)協(xié)調(diào)器和終端進(jìn)行設(shè)置，協(xié)調(diào)器初始化后負(fù)責(zé)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并等待終端加入。終端設(shè)備初始化后加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信的連通，即可將終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息傳遞給協(xié)調(diào)器，也可以將上位機(jī)的指令傳遞給終端設(shè)備。

協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先需要初始化Z-Stark 協(xié)議棧，然后再對(duì)信道進(jìn)行掃描，并定義網(wǎng)絡(luò)的PAN ID,最后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并打開(kāi)中斷。網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，會(huì)判斷是否有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入，則分配網(wǎng)絡(luò)地址和端點(diǎn)。當(dāng)需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)中斷信號(hào)來(lái)調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

終端設(shè)備首先也需要進(jìn)行初始化工作，主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能和相關(guān)硬件進(jìn)行初始化，需要尋找指定的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并申請(qǐng)加入，還需要對(duì)終端直接連接的傳感器或者執(zhí)行器功能進(jìn)行初始化，比如溫濕度傳感器、光照傳感器、繼電器等等。終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，即可建立數(shù)據(jù)傳輸通路，可以實(shí)現(xiàn)底層的硬件系統(tǒng)與協(xié)調(diào)器和上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)用戶體驗(yàn)并且能夠讓用戶簡(jiǎn)單便捷的對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行操作，還需要在手機(jī)或者平板等移動(dòng)互聯(lián)終端上設(shè)計(jì)相應(yīng)的上位機(jī)軟件，本系統(tǒng)使用的是Android 平臺(tái)。由于系統(tǒng)中所有設(shè)備是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)系起來(lái)的，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)有與之相配的SDK 包，將終端設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)、設(shè)備ID 等信息封裝打包并在局域網(wǎng)內(nèi)廣播。在Android 開(kāi)發(fā)中，只需要調(diào)用SDK 的方法，就可以讀取到對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息，設(shè)備變量數(shù)值等等。移動(dòng)設(shè)備端需要與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處于同一局域網(wǎng)內(nèi)，即可通過(guò)TCP/IP 協(xié)議獲取相應(yīng)信息，再將數(shù)據(jù)包解析。

4 結(jié)論

本文基于ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了說(shuō)明，在硬件方面對(duì)ZigBee 無(wú)線通信模塊、溫濕度采集、光照采集、空氣質(zhì)量采集、照明電路、報(bào)警電路等做了設(shè)計(jì)；在軟件方面對(duì)ZigBee 協(xié)議棧、ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組間、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)也做出了相應(yīng)分析。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以讓室內(nèi)各種傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)無(wú)線互聯(lián)，并通過(guò)上位機(jī)方便快捷的進(jìn)行操作和控制，從而有效的實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的智能家居，提升了用戶的生活質(zhì)量。