淺談基於ZigBee 嵌入式智慧家居控制系統的設計與實現論文
隨著資訊科技的發展和經濟水平的不斷提高，人們對家居生活的安全性、高效性和智慧性都提出了更高的要求。 智慧家居是以家庭住宅為平臺，利用綜合佈線技術、自動控制技術、通訊技術等整合各種家用電器、安防設施，透過綜合管理和監控，為人們構建更加節能、舒適、便利且安全的生活環境。透過對藍芽、UWB、Wi—Fi、紅外及ZiBee 幾種無線通訊技術在工作頻段、協議標準、通訊距離、傳輸速率等方面的比較，再針對智慧家居網路資料傳輸量小，傳輸速度不高，要儘量縮短時延並保證較好的實時性等特點，發現ZigBee 技術最適合應用於智慧家居無線通訊，它是基於IEEE802。 15。 4 標準協議的一種短距離無線通訊技術，具有易組網、低成本、低功耗、短時延、高安全等優點，在智慧家居、智慧社群、醫療監控、工業控制等領域都有很好的應用前景。當前最新ZigBee 規範是Zigbee2007 /PRO 協議標準，採用分層結構，自下而上分別為物理層、媒體訪問控制層、網路層和應用層。 物理層主要負責通道能力檢測，OTA 資料包的傳輸和接收及RF 收發器的啟動與關閉，MAC 層在兩個對等MAC 實體間提供可靠鏈路，網路層負責建立和維護網路拓撲結構，應用層定義ZigBee 裝置型別和繫結服務。
1 系統總體設計
智慧控制系統的設計可以透過ZigBee 技術組建無線感測網路WSN（ Wireless Sensor Network） ，將環境中相關ZigBee 模組加入到網路中，利用各個感測器對家庭各類探測器、感測器、報警按鈕等裝置的狀態資料進行實時採集，如煙霧感測器用於室內環境煙霧檢測，溫溼度感測器用於探測空氣溫度和溼度，水浸感測器用於探測積水，紅外人體感應器和門磁用於防盜等，採集後的資料將透過2。 4 GHZ 無線以及Zstack協議棧傳遞給Cortex—A8 處理器，主要負責無線終端節點資訊的管理、處理及控制各終端節點的運作，完成不同網路間協議的轉換，將處理後的指令反饋給ZigBee 節點來控制繼電器，從而實現開關通斷或聲光報警。 手持裝置和PC 機可以利用WIFI 網路連線到乙太網，達到遠端控制家電、智慧安防或檢視監控影片的目的。
2 系統硬體設計
2。 1 主控制板硬體設計
考慮到本系統運行當前比較穩定的Android 4。 0 作業系統，所以在設計中主控制板選用了SAMSUNG公司S5PV210 開發板，基於ARM Cortex—A8 處理器核心，執行主頻為1 GHZ，配置了512MB DDR2 RAM 記憶體，MLC NAND Flash 容量為2 GB，內建PowerVR SGX540 高效能圖形引擎，支援流暢的2D/3D 圖形加速，外接1 個10 /100M 自適應乙太網RJ45 介面（ 採用DM9000AEP） 用於網路連線、1 個mini USB Slave 2。 0 介面、3 個RS232 串列埠、1 個RS485 匯流排介面、1 個CAN 匯流排介面、3 個USB Host 2。 0 介面、1 個標準8 G 容量SD 卡座等，此外，還集成了Bluetooth、RF433、WIFI、ZigBee、3 G、GPRS 等無線通訊介面和音影片介面。
2。 2 ZigBee 模組設計
智慧家居控制系統採用TI 公司最新推出的CC2530 晶片作為ZigBee 無線通訊主晶片，基於2。 4GHZ， IEEE 802。 15。 4 的RF 收發器、標準的增強型8051 CPU，可程式設計256 KB 快閃記憶體和一些其他強大功能，該晶片擁有豐富的外接埠，可執行在多種模式下滿足各種系統不同環境下低功耗要求，是一個真正的片上系統SoC 解決方案。
本系統設計的無線CC2530 節點核心電路如圖3 所示，ZigBee 閘道器模組主要是完成終端節點或路由節點採集的資訊，然後透過串列埠將接收到的資訊實時傳輸給智慧終端應用開發系統。 ZigBee 其他節點模組中則配置了水浸感測器模組防止廚衛設施造成漏水事故，溫溼度感測器用於精確測量室內相對溼度與溫度，煙霧探測器用於監測室內環境煙霧，人體紅外探測器用於判斷是否有人進出。
3 系統軟體設計
系統軟體設計部分包括ZigBee 協調器軟體設計、終端節點軟體設計和上位機Android平臺軟體設計三部分。 ZigBee 節點軟體開發主要是透過ZigBee 協調器組建網路，協調器與ARM 主控裝置之間的資訊互動以及被控節點與協調器之間的資料收發。
ZigBee 協議中包括三種網路拓撲結構有：樹狀網路、星狀網和網狀網。 星狀網通訊方式比較簡單，終端節點都直接與協調器通訊，樹狀網通訊方式增加了路由功能而且支援資料的轉發，網狀網具有網路自愈能力，節點間的通訊有多條通道，可以減輕衝突，資訊傳輸穩定性好、功耗低等。 綜合比較後，考慮到家庭網路中裝置數量有限以及成本費用等，決定選擇星狀網路拓撲結構來組建智慧家居的家庭子網。Z—Stack 協議棧是基於ZigBee 協議標準，由TI 公司推出的開發IEEE802。 15。 4 /ZigBee 等技術的基礎平臺，其軟體目錄結構由OSAL 層、NWK、MT、MAC 層、HAL 層、App 層等組成，並透過API 介面函式來傳遞各層資訊。
3。 1 ZigBee 協調器節點軟體設計
ZigBee 協調器主要負責組建網路、設定引數、管理資訊等功能，是整個無線通訊網路的.核心。 系統上電後進行Z—Stack 協議棧和硬體初始化，然後協調器開始掃描通道能量，建立網路並生成網路PANID 並配置
網路引數。 協調器偵聽是否有子節點申請加入網路，如有允許其加入並分配網路地址等。 與此同時，需要判斷髮送來的請求資訊屬於控制命令還是查詢操作，針對不同情況分別控制相應感測器動作或傳送資料採集指令。
3。 2 ZigBee 終端節點軟體設計
終端節點主要是根據需要上傳採集到的資料資訊並接收使用者控制指令和查詢資訊。 首先，模組上電後初始化，進行通道掃描併發送入網請求，如成功入網，會被分配相應的網路地址。 隨後，終端節點開始偵聽網路資訊，對接收到的網路資料進行進一步判斷，如接收到的是使用者控制指令，則呼叫感測器執行控制操作，如接收到查詢資訊，則將獲取到的感測器節點資料透過ZigBee 網路傳送給協調器節點，終端節點軟體設計。
3。 3 上位機Android 平臺軟體設計
Android 終端軟體主要包含三個佈局頁面，有主頁面MainActivity、資訊查詢頁面NewsFindActivity 以及網路攝像頭控制頁面HomeVideoActivity，使用者可根據需要新增智慧小車控制、燈光控制、溫溼度及電錶查詢等功能，家居控制登入介面，影片控制介面。 首次登入終端系統需要輸入監控IP、埠號、使用者名稱及密碼，系統當前狀態可根據家中是否有人設定為佈防或撤防，佈防狀態下將實時採集家庭各項引數，有警情及時報警並往使用者隨身攜帶移動終端上傳送監控圖片，同時將情況反饋給小區物業。
使用者可以透過手機或Ipad 查詢電錶、控制家電、物業諮詢等，小區物管也可將停水停電、續繳電費等資訊通知到使用者終端。
4 系統調控與測試
本系統最後需要在手機或者PC 端登入App 軟體檢視是否能夠與閘道器伺服器正常連線，對室內感測器節點資訊進行採集和查詢並控制各節點的工作狀態。 在調控過程中，我們還對感測器與協調器之間網路通訊距離進行了點對點的資料丟包測試，發現在室內外沒有障礙物情況下，採用ZigBee 技術傳輸距離可以達到10 米以上，資料基本沒有丟失現象，資料傳輸比較穩定可靠。
5 結語
本文依據人們對現代智慧家居的實際需求，設計並實現了基於ZigBee 技術的嵌入式智慧家居控制系統，本系統利用感測器實時採集環境資訊，透過ZigBee 協調器傳送給主控裝置，從而實現家電控制、智慧安防、實時監控等功能。 使用者可透過手機、行動式裝置隨機登入到系統Cortex—A8 智慧家居控制終端讀取或者控制裝置資料。 經測試，本系統已經達到了預期設計目標，可智慧化控制家庭資訊，系統可穩定接收到各感測器資料訊號，具有功能強大，低功耗，操作簡便，綠色環保等特點。
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