基于ZigBee的智能家居系统的设计

第17卷第1期2018年1月北京工业职业技术学院学报
JOURNAL OF BEUIIVG POLYTECHNIC COLLEGE
No. 1 Vol. 17
Jan. 2018
基于ZigBee的智能家居系统的设计
李娜仲宇璐
(北京工业职业技术学院电气与信息工程学院，北京100042)
摘要:提出一种基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计方案，在家庭内部组建ZigBee无线通信网
络，从终端设备（温湿度终端、智能插座终端等）采集数据信息，用户可以实时获得家庭内部的各种监测信
息，并且进行智能控制，从而给用户提供高效便捷的智能家居体验。

关键词：智能家居;ZigBee无线传感网络;智能控制
中图分类号:TP274 文献标识码:A文章编号：1671 -6558(2018)01 -55 -06
D O I：10.3969/j.issn.1671 -6558.2018.01.012
Desij+n of Smart Home System Based on ZigBee
LI Na ZHONG Yulu
(School of Electrical and Information Engineering，Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China)
Abstract：This paper puts forward a kind of smart home system based on ZigBee wireless sensor n forms a ZigBee wireless communication networl^in the family，and collects data information from the terminal equip­
ment (such as temperature and humidity terminals，intelligent socket terminals，etc. )，by which the users can
constantly obtain various data within the family and be provided with intelligent control.Thus efficient and ient smart home experience is presented for users.
Key words:smart home#ZigBee wireless sensor network#intelligent control
0引言
近年来，伴随着物联网技术和嵌入式技术的迅 速发展，智能家居、智能交通、智能传输和智能社区 已经逐渐进入了我们的生活。

智能家居也叫智能住 宅，是将与居家生活有关的各种电气电子设备通过 传输介质，采用统一的通信协议连接起来，通过网络 化的综合管理，使人们的生活能够更舒适、安全和便 捷，提高了家庭生活、学习、工作和娱乐的品质。

家庭内部网络和智能控制系统的构建是智能家 居系统的关键所在。

其中，构建家庭内部网络通常采用的连接技术分为有线连接和无线连接2大类。

显然，无线组网方式能够体现出智能家居系统的优 势。

无线传感网络不仅使用户在任何可以上网的地 方，通过各种浏览器来监控家中的家电设备（空调、电视、电热水器、冰箱等）和各种安防系统、外人入 侵预警系统、气体泄漏报警系统等，还可以通过浏览 器设置命令，远程控制家电设备。

1无线传感网络和ZigBee技术
无线传感网络（g S N，wireless sensor networks)简称无线传感网[1]，是由大量固定或移动传感器组
收稿日期:2017-11 -10
作者简介:李娜（1979 -),女，江西萍乡人，工学硕士,副教授，主要从事电子信息和物联网专业的教学与研究工作。

56北京工业职业技术学院学报第17卷
的无线 ，以组织和多跳方式，、集、处理和 ，覆盖地理 物体的信，最 发 的$
线 器 中所包含的多种 器，可以测 中的各种现象，如地震、度、、力、速度和方向。

潜在的应用可以概括航空、军 事、家庭、、救灾、医疗、工、商业和 。

线网络主要包括W iF i、红外技术、ZigBee和蓝 技术等。

红外技对方向、短 距离、单、可 扩展性要求都很高；技的较复杂、网络量很小、唤醒时间较长[2];W iFi技 度快，，在活中最为普及，但是耗较大、安全性 低、稳定性弱、可连接设备有限;ZgB ee技 高安全性、高可靠性、低功耗、、大 量、短延时以及抗干扰性能高等优点。

通过比较，ZigBee技术非 常适合用 居。

ZigBee技术是一种近距离、耗、低速率、低 复杂度和 的无线通信技术。

它是IEEE 802.
15.4 的代名词，主要用于距离较短、功耗较低
高的各种电子设备之间进行数据的 以及典型的 数据、间歇数据和 应时 间数 应用。

2智 系统的 分析
基于ZigBee技术设计的智能家居系统方案的 结构如图1所示。

图1智能家居无线网络系统结构图
本网络结构采用树形结构，树形结构和星型结 ，的较大；和状结，能耗和 应 度都 较 。

包括 ZigBee
中心协调器、家庭关和节点。

其中，ZigBee 调器是 居 的核心，它负责构建 和管理 中的 节点。

通过ZigBee网与 节点进行通信，还可以控制由家庭关接 的进行路由选择，然 递节点。

此外，还可以采 节点 器中的数据，对这些数据进行 和处理。

家庭网关既负责外部和 之间的相互通信，也可以通过ZigBee监测和管理设备的终端。

在房间内安 装的 器可以通过ZigBee与ARM控制器进行通
接，器检测到房间内的异常
通过Z gB ee通知Cl]!控制器，然后Cl]!控制器 可以 接 的进行 种 应的 理。

Zig
B e终端节点是由若干 器组成的无线 器
，它 是 居数据的来源，而 是控制 的具体执行器。

ZigBee终端节点是具体执行的数据采 的设备。

一方面，节点可以通过多种 器 ，对这 进行简单处理，另一方面，终端节点也可以执行通过ZigBee无线网 络接 的控制 。

3智件设计
硬件结 2
所示。

第1期
李娜，等:基于ZigBee 的智能家居系统的设计
57
无线传输
模块
按键与显示
模块
电源模块
以太网模块；监测中心
GPRS 模块用户手机
安全防卫
环境监测
家电联网
小区服务
图2系统硬件结构图
从图2可以看出， 居 中硬 主要包括电 块、ZigBee 协调器模块、ARM 控制模块、ZigBee A 块等。

其中，网关的AR M 控制部选择了 TI (
仪器）公的AM 3358 ARM 处理
器，并通过UART (通用异步收发
器）接与
ZigBee 协调器
通信。

ZigBee 协调器与Zig -
B a 终端的无线收发模块采用C
C 2530单片机芯片
来设计。

3.1 ZigBee 协调器设计
CC 2530芯片是首款符合ZgBee RF 4C E 兼容的
协议栈，它结合 先的 发器的优越、行
业标准的增强型8051 CPU 、系统内可编程闪存、8
K B R A M 以及许
大的 。

结合 仪
器的业界领先的黄金单元ZgBee ] ( Z-Stack
)，
大和的ZigBee 解决方案。

它
可以应用于楼宇 、远程控制、家庭控制、医疗
众 ，是理想的ZigBee 专业应用。

ZigBee 协调器硬件由CC 2530 块、调试模块、无线发模块和 电
块组成，并通过UART (通用异步收发
「
器）接与TI AM 3358 ARM
进行连接[3]，Zig -
B e 协调器的硬件框图如图3所示。

图3
协调器硬件框图
3.2 AR M 主控模块的设计
居
对主控模块的要求是：尺寸尽量
小；
度量高;功耗够低;足够的外部通用I
0端口和通信接口；
要
、安全和
要好。

考虑到以上要求， 在主控模块的设计中使用了TI ( 仪器）的 AM 3358 ，它采用了 ARM Cor ­
tex A 8内核，最高主频可以达720MHZ ，支持通用存
储器（NAND ，N 0R ，SRAM ，等），支高达16位
ECC ，2个控制器局域网端口（CAN )，6个UART ，2
个McASPI ，2个McSPI 和3个I 2C ，可编程实
单元和工业用通信子系统（PRU - ICSS )，实 钟（RTC )，最多2个具有集成物理层的USB 2. 0高 0TG
，
2
工业用千兆以太网MAC
(10/100/1000 MHz )[4]。

已在
居、智
交通、医疗电子、节
、工控制、电力
、
节能、通讯系统、工业触摸屏控制
、
数控行
58
北京工业职业技术学院学报第17卷
电子、媒体理无线应用、机器人视觉、数字
家电、 备、等场合广泛应用[5]。

3.3 ZigB e e 的终端设计
ZigBee ；
块包括温度 器、湿度 j
器、可燃气体
器、烟
器、光敏 器、红外器和 插座电磁继电器等 ％
负责检
测
值以及智能插座的通电与断电。

它们将
采
的数据通过Z ;Bee 无线 式发 '网
关，然通知用 的
标。

4智 系统软件设计
计分为
ZigBee 网络和外部通
2。

中 器和家用电器等分别
作为 的节点，每节点都通过ZigBee 协议
与 进行无线通信，
对电的控制和各器对
的反馈，
总流程
4所
>。

开机
系统初始化
否正^
家电联网控制
一<3?制家居环境检测
f
r ~
空调控制子程序
煤气检测子程序
士
r ~
微波控制子程序
王侧灿
烟雾检测子程序
__i ___
r
士
电视控制子程序
安防系统子程序
温度检测子程序
古
灯光控制子程序
r
其他设备控制子程序
家电状态子程序
湿度检测子程序
家居环境良好
GPRS 通报
启动报警
结束
图4
系统流程图
使用的 开发平台为IAR (又称为EW )。

IA R 软件支持微处理器种类比较多，它最大的优点
就是C 编译器，
7
，
计、开发
和测试， 研发 的 。

4.1 ZigBee 网络软件设计
ZigBee ^
计包括&( 1) Z g B e 协调器模块。

首先构建Z g B e e 网络，然对 采
的数据进
行
，
发
关的AR M 处理器并进行处理，最通过网关
机或者计算机的
，再传
每 块；（2)种 器检测模块。

读种
器的值按公式转
，通过I 2C 总线发
CC 2530
，然
格式发给Zig ­
Bee 协调器;（3) 插座电磁继电器模块。

电磁继
电器控制模块与CC 2530 块通过UART 进行串口
通信，并获 插座的状态，然
的格式
发 ZigBee 调器， 最 通过 CC 2530 机
计算机控制
电器。

第1期李娜，等:基于ZigBee 的智能家居系统的设计
59
4. 2
外部通信网络的软件设计
外部通
计包括：（1 "Z ig B e e 协调
器和家庭网关A R M 进行U A R T 通信，并向ZigBee 网络发
机
计算机端的命令，
可以将
Z ig B e e 网络数据上
服务器；（2)庭关ARM
建立与服务器的连接， 服务器请求；（3 )手
机
计算机与服务器之间通过M QTT ( Message Queuing Telemetry Transport ，消息队列遥测传输）协
进行通信。

5
系统测试
5.1通信性能测试
对
进行
测试，先由中央处理器发送
指定到控制中心，然通过 发 调器，再经 过协调器发 Z ig B ee 终端节点，在Z igB ee 终端节
点 数据的接收工作后，
通过
发送到手机
P C 机，在机
P C 机上比较
节点接
的数据与控制中心所发送的数据，经过 测
试后，测试结果如表1所示。

表1
通信性能测试结果
测试时间/h
发送数据/B
接收正确数据/B
接收错误数据/B
准确率/%172007122789832128640086298102993824
172800
172675
125
9933
表1结果表明，各个终端节点之间的干扰低，系 统的通信准确，符合智能家居系统的要求。

5
3
系统
测
在手机
3 备进行测试，观察是否可以 的状态
，就是判断是否可
以通过手机
程监控与监测。

以
插座终端
为例，点击手机端插座关闭按钮图标，插座断电，点 击打开按钮图标，插座通电，如图5 示；
水器离开和
水面后，手机
示正常
和漏水， 6 示;通过
度 器测得的度值，
在手机
示，
7所示。

图5
智能插座开关测试
60北京工业职业技术学院学报第17卷
a水浸传感器正常b水浸传感器浸水
图6水浸传感器测试
图7温湿度测试
由测试结果可知，总体设计方案的要求 ，准确地 节点间的通信，节点都能够采 关数据，通过手机可以远程查看 节点的 进行智能控制。

6结论
在设计居 使用了Z ig B e e无线 技术，它 、耗、低数、低复杂度和安全可靠等特点，为用 接人、随地接人以及随时接人的良好无线。

随着无线技术的不断发展，Z ig B ee技术必将为居计的普遍使用奠定良好的基础。

参考文献
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(责任编辑：刘莉宏
）。