基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

郑元甫

摘要：随着人们生活水平的提高及物联网技术的飞速发展，人们对于家居环境提出了更高的要求，智能家居也就应运而生，人们希望能通过各种家居设备来享有更加舒适，便捷的居住环境。

传统家居设备的控制信息传输主要靠布线技术，不但系统升级麻烦，且成本过高，实际的应用效果也不明显，并没有很大的改善人们的生活。ZigBee的出现使的这一现象得到有效的应解，ZigBee是一种低成本、低功耗无线通信技术，它的自组网技术可以方便的使家中的各种设备组成一个区域网，信息传送的可靠性也极高。使用ZigBee作为家居内网可以方便的对家电进行控制和对安防预警信息进行采集。

本文首先介绍了智能家居的研究背景和国内外的发展现状，然后对ZigBee技术进行介绍，比较详细的介绍了ZigBee协议框架中各层次扮演的角色及特点，并对ZigBee技术在智能家居中内部组网技术的适用性作了比较分析。最后综合讲解了智能家居系统的设计方案，包括系统功能及特色等。集中控制端在个人PC机上模拟实现，与之构成C/S结构的远程控制端有Windows和Linux端，他们之间采用面向连接的Socket加密通信。家居内网采用基于CC2530的SoC建立强大的网络，以协调器为核心节点，组合其他设备终端节点进行家居网内信息的采集和传输，实现家电控制和温度、湿度、入侵等安防信息采集。同时设计便捷、易用的软件界面，既可以在家中使用，也可以在任何有网络接入的设备上实现远程控制。测试表明：使用远程控制端或集中控制端都能可靠的对家电进行控制和安防信息的采集，系统具有一定的稳定性和扩展性，达到预期目标。

关键词：ZigBee 智能家居家居内网多方式控制

在现代科技不断发展的时代下，人们的生活质量也在不断提升，对于生活的安全舒适、便捷方面的需求也在逐渐增高，在家庭住宅观念不断优化的理念指引下，智能家居成为了未来住宅的发展趋势和方向，为此，需要研究和开发低功耗、低成本、易于组网和维护的智能家居控制系统，以自动控制技术、计算机技术、通信技术为基础，开发出以物联网为背景的智能家居控制系统，成为新一代生活家居的引领者。

一、AigBee技术综述

ZigBee技术是一种新兴的无线传感器网络新技术，它介于无线标记和蓝牙之间，依照自己的标准，在微小的传感器之间传递和协调各种信息，它是基于IEEE802.15.4低速率无线个人局域网的ZigBee规范，具有性能要求不高、紧凑简单的优点，在网络层、安全层和应用层的架构下，可以最大程度地满足其需求，它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信的空白，重点在于其丰富而快捷的应用。

二、ZigBee智能家居系统的设计

1、总体框架平台设计

ZigBee智能家居系统平台由硬件平台和软件系统构成，在两者相协调的框架之下，实现快速而高效的ZigBee节点开发和设计。

该系统的软件开发环境主要采用EW，集成C/C++的交叉编译和调试，支持ARM微处理器，在高效安全的可执行代码之下，实现多级优化，从而达到速度和代码尺寸的均衡。在其软件系统中，集成了内核识别插件，可以对各个运行任务的信号灯、邮箱、队列、事件标志等信息，进行全面而细致的了解。在该系统中，主要是按照项目进行管理，可以给项目添加文件，并在程序项目设计之前，要对工程环境进行高效的、个性化的设计，以实现与需求相契合的控制目标。

2、系统设计方案分析

智能家居系统以其先进性和实用性，为人们提供舒适、高效的生活环境，具有良好的开放性特征，其设计方案主要是采用GPRS数据业务接入Internet和短消息的方式，对电脑终端进行控制，还可以通过手机移动终端操控的方式，对智能家居系统进行监控，用户可以随时根据自己的需要对家中各个设备、环境状况等进行查看，弥补了地域限制等问题。在ZigBee技术基础上，进行局域网的组网，通过家居控制器，融合室内局域网和外网GSM，该系统主要包括传感器信号采集模块、家电端控制模块、总控制器等，由传感信号采集信息，并对信号进行分析，确定其是否达到预定报警值，一旦超出预定值，则给传递报警信号给总控制器，总控制器在分辨传感器节点位置的前提下，通过相应算法，进行选择操作，在智能处理的方式下，以短信息的方式通知主人，主人可以及时通过移动终端对家居状况进行查看和了解。具体结构主要为：（1）安防子网。这个子网中包涵四大基础模块，即：温度检测模块、烟雾检测模块、煤气检测模块、人体红外感应模块。（2）灯控子网。在这个子网之中，主要有灯控制模块和窗帘控制模块。（3）总控制器。这是由ZigBee通信模块、主控芯片、GPRS等构成。（4）远程终端。这是用户的移动接收方式，较为简单，可以进行信息的及时接收和控制。

基于ZigBee的智能家居系统的主要功能，具体包括如下内容：（1）煤气泄露监测。在系统节点通过煤气传感器监视的状态下，当煤气浓度达到一定的危险值时，可以将煤气泄露信号传递到总控制器模块之中，系统会立即切断煤气阀门，通过GSM网络将信息传递到用户的移动终端设备上。（2）防盗报警监控。在家居环境受到非法入侵时，如：家中玻璃碎裂、门窗遭受意外入侵等，传感器可以瞬间检测到警情，并将信号传递给总控制器，并在GSM网络下将短消息传达到用户手中，进行报警，及时地防范家中财产的损失。（3）火灾监测。系统的室内感温探测器可以监控到家居环境中的火灾隐患，当检测到火灾的存在时，及时通过GSM网络将信号传递到用户手中，进行报警。（4）病人心电监护。对病人的各项生命体征指标如：血压、心率等，通过监护器将信息传递给总控制器，再以短消息的方式传达给主人，对家中的病人进行监护。

三、ZigBee智能家居控制系统的调试

1、PCB设计调试

对PCB软件的设计软件采用Protel ，它依据改进型的布线规则，如：最短走线、水平、垂直等，同时，优化了内部算法，极大地提升了布线的成功率，避免了短路或网络混乱的现象

2、GSM模块软件调试

在电脑端要对模块进行测试，将模块通过串口连接的方式，与计算机相连接，打开调试软件，并输入命令，在模块正常启动之后，检测网络的信号质量，进行电话呼入的测试，确定与GSM通信所契合的数据帧结构，以帧格式为依据进行编程。

3、ZigBee模块软件调试

这主要采用Chipcon的基于cc2430的开发套件，将协调器端程序进行下载，在协调器商端初始化的状态下，与计算机相连，进行测试。

总之，基于ZigBee的智能家居系统在硬件和软件系统相结合的环境下，可以方便的对家电进行控制和对安防预警，并且测试表明：智能家居系统使用远程控制端或集中控制端都能可靠的对家电进行控制和安防信息的采集，系统具有一定的稳定性和扩展性，可以达到预期目标，满足用户的需求。

参考文献：

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