基于ZigBee的智能家居安防的硬件设计

引言

在信息产业快速发展的今天，嵌入式设备已经深入到了 人类生活的各个方面，智能设备更是成为了人们日常生活中不 可或缺的一部分。随着能源的日渐消耗，环保节能刻不容缓。 因此，在现在和未来的家居生活环境中，我们更需要一种高效 节能的、智能的、绿色环保的智能家居安防系统。

1智能家居安防系统的研究与设计

图1是智能家居安防系统的整体功能框图和设计方案。 从图中可以看出，本系统可以分为3个部分，首先是底层的智 能家居安防网络，这是整个系统的硬件部分，可以监测温度、 光强、煤气、人体红外、门窗、灯光控制等。在硬件部分的基 础上市安防信息监控管理和Android智能终端监控，这是整 个系统的软件部分，主要是对从底层收集到的信息做出处理并 给出控制信号。本文主要研究底层的硬件设计。

2系统硬件设计

目前，无线通信技术在物联网的浪潮下发展迅猛，比如 红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi、近场通讯技术等，通过对这几 种技术的研究与比较，本文最终确定选用ZigBee技术实现本 文的硬件网络系统。

从系统硬件设计的角度出发，每一个ZigBee节点分为两个部分，一个是可以实现数据收发的核心部分，这部分必须 要满足ZigBee协议规范。另一部分是实现供电、复位的底板。 所有硬件的核心就是整个硬件部分的逻辑图如图2所示。

2.1基于CC2530模块的ZigBee节点的设计

美国德州仪器TI生产的CC2530是一种SoC芯片，基于 IEEE 802.15.4标准和ZigBee协议规范。图3所示是CC2530 的射频模块电路，同时，TI公司还专门为使用CC2530芯片的 用户提供了整套的开发工具和Z-stack协议栈，通过这个专用 工具，用户可以节约大量的开发时间并且可以按照自己的想法 开发自己的产品。CC2530芯片本身就是一个非常成熟的芯片, 同时功能也非常强大，用户只需要给其接入产品需要的外围器 件就可以满足用户的开发要求。本文为了使CC2530模块能够与 传感器相连接，采用排针将CC2530的I/O 口引出来，如图3中 的P1和P2。

2.2传感器底板的设计

本文设计传感器底板主要包括电源、调试接口、通信接 口以及和各个传感器相连接的接口。其传感器地板电路原理 图如图4所示。

从图4电路图中可以看出，本设计中的传感器底板包括 以下几个主要部分：

(1)如图所示，P1和P2是两个排母，主要用于连接底板和CC2530模块的I/O 口。而P3和P4则是底板上将I/O 口 和外部传感器和LED灯以及各个按键相连接的排针。这样做 可以有效地避免干扰射频电路。

本设计可以通过两种方式供电：一种是电源供电，另 外一种是电池供电。同时采用AMS1117的稳压芯片以及10 uF 和0.1 uF的电容，主要是为了解决外部电压不稳定同时达不 到3.3 V的问题。

JTAG调试接口选用的是P21作为芯片的调试数据线, P22作为调试时钟信号线，再加上Reset信号线，电源和地线 就可以完成芯片的在线调试了。

在实现RS232串口电路的设计中，可以利用CH2430 芯片将串口转成USB 口。图5所示是其实物图。

图5 ZigBee节点底板和CC2530射频模块实物图

2.3系统中各模块的选型和设计

在本文设计的智能家居系统中，主要完成对温度、气体、 光强、人体，以及远程控制灯的开关的功能，所以在传感器 节点的模块上，还需要温度模块、气体模块、光敏模块，以 及人体感应模块等。下面就对各个模块的功能进行简单的介 绍(以便之后选型):

人体红外传感器模块：本文采用的是TSKS5400S红 外传感器。此款传感器正常的工作电压是3~10 V，最小输出 电压为3 V，同时本文设计的节点电压是3.3 V，所以不需要对 电压进行变化。除此之外，本文选择了 BIS0001红外传感信 号处理器对TSKS5400S红外传感器输出的信号进行处理。

烟感传感器模块：烟感传感器的种类很多，本文选 择了 MQ-2Q气体传感器。其具有探测范围广、灵敏度高、稳 定性优异、寿命长等特点。

光敏传感器模块：本文设计中选择的光敏电阻就是 众多光敏传感器中的主要的一款传感器。光传感器是利用光 敏元件将光信号转换为电信号的传感器，他不但可以对光进 行探测，还可以探测到许多非电量。

温度传感器模块：本设计中选择的是DS18B20数字 温度计作为温度传感器。DS18B20数字温度计是DALLAS公 司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。

灯控模块：本设计中的灯控模块主要是通过将继电 器安装灯的开关处，通过控制继电器的通断来控制灯的亮灭。 2.4系统的整体架构

图6所示是其系统的整体架构图。通过对ZigBee技术 的三种网络拓扑图的分析，结合智能家居安防的特点，最终确 定星型结构的系统硬件总体设计。图中有一个协调器节点，主 要负责无线网络的建立，保证网络的正常运行，还要对终端节 点加入和退出网络进行控制和监测。多个终端节点，主要的功 能就是采集无线网络数据，并将数据发送给协调器。

图6系统硬件总体设计图

3结语

伴随着快节奏的工作生活，大量的信息覆盖了人们生活 的方方面面，一个能够帮助人们管理家庭事务信息并分担 家庭事务的智能化环境更加适应发展潮流。而在智能家居 中，人们更关心的就是智能家居安防系统。本文介绍了系统中 ZigBee节点的设计、硬件底板的设计方法以及各个传感器的 选型，最后给出了智能家居安防系统的硬件总体设计图。

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