基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；?a target="_blank">智能家居的最新定義，參考ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。因此，本系統(tǒng)可以稱為是智能家居。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
??? 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由家庭內(nèi)被控制設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成。其中家庭內(nèi)被控制設(shè)備主要有能訪問(wèn)Internet的計(jì)算機(jī)、控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。遠(yuǎn)程控制設(shè)備主要由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和手機(jī)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

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??? 系統(tǒng)的主要功能有：1)網(wǎng)頁(yè)前臺(tái)頁(yè)面的瀏覽，后臺(tái)信息管理；2)通過(guò)Internet和手機(jī)兩種遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家用電器、安防和燈光的開(kāi)關(guān)控制；3)通過(guò)RFID模塊實(shí)現(xiàn)用戶識(shí)別，從而完成室內(nèi)安防狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，在盜賊入侵時(shí)通過(guò)短信息(SMS)向用戶報(bào)警；4)通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)軟件完成室內(nèi)燈光及家電的本地控制和狀態(tài)顯示；5)利用數(shù)據(jù)庫(kù)完成個(gè)人信息存儲(chǔ)和室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)存儲(chǔ)，通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)方便用戶查詢室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器(這里以電風(fēng)扇控制器為例)的設(shè)計(jì)。
2．1 控制中心
??? 控制中心主要功能有：1)組建無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，并實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的接收；2)用戶身份識(shí)別，用戶在離家或歸來(lái)時(shí)通過(guò)用戶卡實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防的開(kāi)關(guān)；3)當(dāng)有盜賊入侵室內(nèi)時(shí)，通過(guò)向用戶發(fā)送短信息報(bào)警。用戶也可通過(guò)短信息控制室內(nèi)安防、燈光及家電；4)系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶查看；5)存儲(chǔ)電器設(shè)備狀態(tài)并發(fā)送至PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)。根據(jù)控制中心的功能設(shè)計(jì)出它的組成框圖如圖2所示。

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?選用TI公司的CC2430單片機(jī)作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內(nèi)核的單片機(jī)。也是一款符合IEEE802．15．4規(guī)范的2．4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)／沖突檢測(cè)(CSMA／CA)，2．0～3．6 V的工作電壓有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。通過(guò)連接在控制中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無(wú)線星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)．并將所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、選擇添加的家用電器控制器作為該網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)
點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防及家電的無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制。
??? 控制中心MCU采用8位單片機(jī)ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，大多數(shù)指令可在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 K字節(jié)的EEPROM和2個(gè)串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC機(jī)相連，是整套硬件系統(tǒng)的核心，完成對(duì)中央控制管理系統(tǒng)的響應(yīng)和對(duì)各模塊的驅(qū)動(dòng)。GSM模塊采用TC35i模塊。它通過(guò)串行UART接口直接與控制中心MCU相連。RFID模塊采用ZLG500模塊，其內(nèi)部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫RC500內(nèi)的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口規(guī)范，故只能與單片機(jī)的通用I／O接口相連才能實(shí)現(xiàn)通信。液晶模塊選用1602液晶，采用4線接口與控制中心MCU的通用I／O接口相連。ZigBee協(xié)調(diào)器與控制中心MCU采用2線接口即可實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)雙向傳輸?？刂浦行腗CU與計(jì)算機(jī)RS232串口相連，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，實(shí)時(shí)性好。
2．2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)
??? 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能有：1)人體信號(hào)的檢測(cè)，當(dāng)盜賊入侵時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；2)燈光的控制，其控制方式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制是根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱自動(dòng)打開(kāi)／關(guān)閉燈光，手動(dòng)控制是通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燈光控制：3)將報(bào)警信息及其他信息發(fā)送至控制中心，并接收來(lái)自控制中心的控制指令以完成設(shè)備控制。從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能出發(fā)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成如圖3所示。

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??? 紅外加微波的探測(cè)模式是目前在人體信號(hào)檢測(cè)時(shí)最常用的方式。熱釋電紅外探頭這里選用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V電壓供電，內(nèi)置熱釋電雙敏感紅外元件，當(dāng)元件接收紅外光時(shí)在每個(gè)元件兩極發(fā)生光電效應(yīng)而積累電荷。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路。它與RE200B及少量元件就可構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10 GHz，建立時(shí)間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復(fù)合使用，可有效降低目標(biāo)探測(cè)錯(cuò)誤率。
??? 燈光控制模塊主要由光敏電阻和燈光控制繼電器組成。將光敏電阻與10 kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)，再將光敏電阻另一端接地，可調(diào)電阻另一端接高電平。通過(guò)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取兩個(gè)電阻連接點(diǎn)的電壓值，從而判定當(dāng)前燈光是否打開(kāi)?？烧{(diào)電阻可供用戶調(diào)節(jié)，以滿足用戶設(shè)置燈光剛剛打開(kāi)時(shí)的光線強(qiáng)度。室內(nèi)燈光的開(kāi)關(guān)通過(guò)繼電器控制。只需一個(gè)輸入輸出口即可實(shí)現(xiàn)。
2．3 選擇添加的家用電器控制器
??? 選擇添加的家用電器的控制主要根據(jù)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，這里以電風(fēng)扇為例。電風(fēng)扇控制就是控制中心將上位機(jī)下達(dá)的電風(fēng)扇控制指令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至電風(fēng)扇控制器實(shí)現(xiàn)，不同的家電識(shí)別碼是不同的，例如，本協(xié)議規(guī)定電風(fēng)扇的識(shí)別碼是122，家用彩電的識(shí)別碼是123，這樣就實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)不同家電的識(shí)別。而對(duì)于相同的指令代碼，不同家電執(zhí)行的功能是不一樣的。圖4為選擇添加的家用電器組成。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括6部分，分別為遠(yuǎn)程控制網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、中央控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制中心主控制器ATMegal28程序設(shè)計(jì)、CC2430協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、CC2430監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、CC2430選擇添加設(shè)備的程序設(shè)計(jì)。

?3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)
??? 協(xié)調(diào)器首先完成應(yīng)用層初始化，將應(yīng)用層狀態(tài)和接收狀態(tài)設(shè)為空閑，然后打開(kāi)全局中斷并初始化I／O端口。接著協(xié)調(diào)器開(kāi)始建立無(wú)線星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議中，協(xié)調(diào)器自動(dòng)選擇2．4 GHz的頻段，每秒發(fā)送的最大比特?cái)?shù)為62 500，默認(rèn)的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PANID)是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒產(chǎn)生中斷10次。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協(xié)調(diào)器識(shí)別為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的一員，它被識(shí)別的地址為0。程序進(jìn)入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU；判斷控制中心MCU是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)；判斷安防是否打開(kāi)，是否有盜賊入侵，如果有則把報(bào)警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動(dòng)控制狀態(tài)，如果是，則打開(kāi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣值是燈光打開(kāi)或關(guān)閉的關(guān)鍵，如果發(fā)生燈光狀態(tài)改變則把新的狀態(tài)信息傳送到控制中心MC-U。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。

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3．2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
??? ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是指由ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無(wú)線ZigBee節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的初始化同樣包括應(yīng)用層初始化，打開(kāi)中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，需要強(qiáng)調(diào)的是：只有和ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)置一致的終端節(jié)點(diǎn)才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果ZigBee終端節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則每?jī)擅胫匦聡L試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡(luò)中。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，Zi-gBee終端節(jié)點(diǎn)將其注冊(cè)信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心MCU以完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則實(shí)現(xiàn)燈光及安防的控制，程序與ZigBee協(xié)調(diào)器部分類似，只是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是電風(fēng)扇控制器，則只需接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，而不必上傳狀態(tài)，故它的控制可以在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷中直接完成。在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷中，所有終端節(jié)點(diǎn)都是將接收的控制指令翻譯成對(duì)節(jié)點(diǎn)本身的控制參數(shù)，在節(jié)點(diǎn)主程序中不對(duì)接收的無(wú)線指令進(jìn)行任何處理。

4 聯(lián)機(jī)調(diào)試
??? 由中央控制管理系統(tǒng)下發(fā)的對(duì)固定設(shè)備的指令編碼遞增的指令，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送至控制中心MCU，并通過(guò)兩線接口發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，在終端節(jié)點(diǎn)接收完成時(shí)將數(shù)據(jù)再次通過(guò)串口發(fā)送至PC機(jī)，在這臺(tái)PC機(jī)上完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)與控制中心所發(fā)送的數(shù)據(jù)的比較。中央控制管理系統(tǒng)每一秒發(fā)送2條指令，經(jīng)過(guò)5 h的測(cè)試，測(cè)試軟件顯示共接收數(shù)據(jù)包數(shù)量為36000包時(shí)停止測(cè)試。多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試軟件測(cè)試結(jié)果如圖6所示。正確數(shù)據(jù)包36 000，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)為0，正確率為100％。

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5 結(jié)束語(yǔ)
??? 通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)部組網(wǎng)，具有遠(yuǎn)程控制方便，添加新設(shè)備靈活和控制性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)RFTD技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶身份識(shí)別，提高系統(tǒng)的安全性。通過(guò)GSM模塊的接入，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和報(bào)警功能。
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