浅谈基于ZigBee 嵌入式智能家居控制系统的设计与实现论文

随着信息科技的发展和经济水平的不断提高，人们对家居生活的安全性、高效性和智能性都提出了更高的要求。智能家居是以家庭住宅为平台，利用综合布线技术、自动控制技术、通信技术等集成各种家用电器、安防设施，通过综合管理和监控，为人们构建更加节能、舒适、便利且安全的生活环境。通过对蓝牙、UWB、Wi—Fi、红外及ZiBee 几种无线通信技术在工作频段、协议标准、通信距离、传输速率等方面的比较，再针对智能家居网络数据传输量小，传输速度不高，要尽量缩短时延并保证较好的实时性等特点，发现ZigBee 技术最适合应用于智能家居无线通信，它是基于IEEE802。 15。 4 标准协议的一种短距离无线通信技术，具有易组网、低成本、低功耗、短时延、高安全等优点，在智能家居、智能社区、医疗监控、工业控制等领域都有很好的应用前景。当前最新ZigBee 规范是Zigbee2007 /PRO 协议标准，采用分层结构，自下而上分别为物理层、媒体访问控制层、网络层和应用层。物理层主要负责信道能力检测，OTA 数据包的传输和接收及RF 收发器的启动与关闭，MAC 层在两个对等MAC 实体间提供可靠链路，网络层负责建立和维护网络拓扑结构，应用层定义ZigBee 设备类型和绑定服务。

1 系统总体设计

智能控制系统的设计可以通过ZigBee 技术组建无线传感网络WSN（ Wireless Sensor Network），将环境中相关ZigBee 模块加入到网络中，利用各个传感器对家庭各类探测器、传感器、报警按钮等设备的状态数据进行实时采集，如烟雾传感器用于室内环境烟雾检测，温湿度传感器用于探测空气温度和湿度，水浸传感器用于探测积水，红外人体感应器和门磁用于防盗等，采集后的数据将通过2。 4 GHZ 无线以及Zstack协议栈传递给Cortex—A8 处理器，主要负责无线终端节点信息的管理、处理及控制各终端节点的运作，完成不同网络间协议的转换，将处理后的指令反馈给ZigBee 节点来控制继电器，从而实现开关通断或声光报警。手持设备和PC 机可以利用WIFI 网络连接到以太网，达到远程控制家电、智能安防或查看监控视频的目的。

2 系统硬件设计

2。 1 主控制板硬件设计

考虑到本系统运行当前比较稳定的Android 4。 0 操作系统，所以在设计中主控制板选用了SAMSUNG公司S5PV210 开发板，基于ARM Cortex—A8 处理器内核，运行主频为1 GHZ，配置了512MB DDR2 RAM 内存，MLC NAND Flash 容量为2 GB，内置PowerVR SGX540 高性能图形引擎，支持流畅的.2D/3D 图形加速，外接1 个10 /100M 自适应以太网RJ45 接口（采用DM9000AEP）用于网络连接、1 个mini USB Slave 2。 0 接口、3 个RS232 串口、1 个RS485 总线接口、1 个CAN 总线接口、3 个USB Host 2。 0 接口、1 个标准8 G 容量SD 卡座等，此外，还集成了Bluetooth、RF433、WIFI、ZigBee、3 G、GPRS 等无线通信接口和音视频接口。

2。 2 ZigBee 模块设计

智能家居控制系统采用TI 公司最新推出的CC2530 芯片作为ZigBee 无线通信主芯片，基于2。 4GHZ， IEEE 802。 15。 4 的RF 收发器、标准的增强型8051 CPU，可编程256 KB 闪存和一些其他强大功能，该芯片拥有丰富的外接端口，可运行在多种模式下满足各种系统不同环境下低功耗要求，是一个真正的片上系统SoC 解决方案。

本系统设计的无线CC2530 节点核心电路如图3 所示，ZigBee 网关模块主要是完成终端节点或路由节点采集的信息，然后通过串口将接收到的信息实时传输给智能终端应用开发系统。 ZigBee 其他节点模块中则配置了水浸传感器模块防止厨卫设施造成漏水事故，温湿度传感器用于精确测量室内相对湿度与温度，烟雾探测器用于监测室内环境烟雾，人体红外探测器用于判断是否有人进出。

3 系统软件设计

系统软件设计部分包括ZigBee 协调器软件设计、终端节点软件设计和上位机Android平台软件设计三部分。 ZigBee 节点软件开发主要是通过ZigBee 协调器组建网络，协调器与ARM 主控设备之间的信息交互以及被控节点与协调器之间的数据收发。

ZigBee 协议中包括三种网络拓扑结构有：树状网络、星状网和网状网。星状网通信方式比较简单，终端节点都直接与协调器通信，树状网通信方式增加了路由功能而且支持数据的转发，网状网具有网络自愈能力，节点间的通信有多条通道，可以减轻冲突，信息传输稳定性好、功耗低等。综合比较后，考虑到家庭网络中设备数量有限以及成本费用等，决定选择星状网络拓扑结构来组建智能家居的家庭子网。Z—Stack 协议栈是基于ZigBee 协议标准，由TI 公司推出的开发IEEE802。 15。 4 /ZigBee 等技术的基础平台，其软件目录结构由OSAL 层、NWK、MT、MAC 层、HAL 层、App 层等组成，并通过API 接口函数来传递各层信息。

3。 1 ZigBee 协调器节点软件设计

ZigBee 协调器主要负责组建网络、设定参数、管理信息等功能，是整个无线通信网络的核心。系统上电后进行Z—Stack 协议栈和硬件初始化，然后协调器开始扫描信道能量，建立网络并生成网络PANID 并配置

网络参数。协调器侦听是否有子节点申请加入网络，如有允许其加入并分配网络地址等。与此同时，需要判断发送来的请求信息属于控制命令还是查询操作，针对不同情况分别控制相应传感器动作或发送数据采集指令。

3。 2 ZigBee 终端节点软件设计

终端节点主要是根据需要上传采集到的数据信息并接收用户控制指令和查询信息。首先，模块上电后初始化，进行信道扫描并发送入网请求，如成功入网，会被分配相应的网络地址。随后，终端节点开始侦听网络信息，对接收到的网络数据进行进一步判断，如接收到的是用户控制指令，则调用传感器执行控制操作，如接收到查询信息，则将获取到的传感器节点数据通过ZigBee 网络发送给协调器节点，终端节点软件设计。

3。 3 上位机Android 平台软件设计

Android 终端软件主要包含三个布局页面，有主页面MainActivity、信息查询页面NewsFindActivity 以及网络摄像头控制页面HomeVideoActivity，用户可根据需要添加智能小车控制、灯光控制、温湿度及电表查询等功能，家居控制登录界面，视频控制界面。首次登录终端系统需要输入监控IP、端口号、用户名及密码，系统当前状态可根据家中是否有人设置为布防或撤防，布防状态下将实时采集家庭各项参数，有警情及时报警并往用户随身携带移动终端上传送监控图片，同时将情况反馈给小区物业。

用户可以通过手机或Ipad 查询电表、控制家电、物业咨询等，小区物管也可将停水停电、续缴电费等信息通知到用户终端。

4 系统调控与测试

本系统最后需要在手机或者PC 端登录App 软件查看是否能够与网关服务器正常连接，对室内传感器节点信息进行采集和查询并控制各节点的工作状态。在调控过程中，我们还对传感器与协调器之间网络通信距离进行了点对点的数据丢包测试，发现在室内外没有障碍物情况下，采用ZigBee 技术传输距离可以达到10 米以上，数据基本没有丢失现象，数据传输比较稳定可靠。

5 结语

本文依据人们对现代智能家居的实际需求，设计并实现了基于ZigBee 技术的嵌入式智能家居控制系统，本系统利用传感器实时采集环境信息，通过ZigBee 协调器传送给主控设备，从而实现家电控制、智能安防、实时监控等功能。用户可通过手机、便携式设备随机登录到系统Cortex—A8 智能家居控制终端读取或者控制设备数据。经测试，本系统已经达到了预期设计目标，可智能化控制家庭信息，系统可稳定接收到各传感器数据信号，具有功能强大，低功耗，操作简便，绿色环保等特点。