基于ZigBee技术的智能家居系统设计

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。基于智能家居的最新定义，参考ZigBee技术的特点，设计出的本系统，在包含了智能家居必备系统(智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统)的基础上，加入了家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统和家庭环境控制系统。在智能家居的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居。因此，本系统可以称为是智能家居。

1 系统设计方案
    该系统设计由家庭内被控制设备和远程控制设备组成。其中家庭内被控制设备主要有能访问Internet的计算机、控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器。远程控制设备主要由远程计算机和手机组成。系统组成如图1所示。

    系统的主要功能有：1)网页前台页面的浏览，后台信息管理；2)通过Internet和手机两种远程控制方式实现室内家用电器、安防和灯光的开关控制；3)通过RFID模块实现用户识别，从而完成室内安防状态的开关，在盗贼入侵时通过短信息(SMS)向用户报警；4)通过中央控制管理系统软件完成室内灯光及家电的本地控制和状态显示；5)利用数据库完成个人信息存储和室内设备状态存储，通过中央控制管理系统方便用户查询室内设备状态。

2 系统硬件设计
    系统硬件设计包括控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器(这里以电风扇控制器为例)的设计。
2．1 控制中心
    控制中心主要功能有：1)组建无线ZigBee网络，把所有监控节点加入网络中，并实现新设备的接收；2)用户身份识别，用户在离家或归来时通过用户卡实现室内安防的开关；3)当有盗贼入侵室内时，通过向用户发送短信息报警。用户也可通过短信息控制室内安防、灯光及家电；4)系统单机运行时，液晶显示当前系统状态，方便用户查看；5)存储电器设备状态并发送至PC机，以实现系统联机。根据控制中心的功能设计出它的组成框图如图2所示。

    选用TI公司的CC2430单片机作为ZigBee模块的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l内核的单片机。也是一款符合IEEE802．15．4规范的2．4 GHz的射频器件，硬件支持载波监听多路访问／冲突检测(CSMA／CA)，2．0～3．6 V的工作电压有利于实现系统低功耗。通过连接在控制中心的ZigBee协调器模块，在室内建立无线星形ZigBee网络．并将所有监控节点、选择添加的家用电器控制器作为该网络中的终端节
点加入网络中，从而实现室内安防及家电的无线ZigBee网络控制。
    控制中心MCU采用8位单片机ATMegal28，该器件是一款高性能、低功耗的RISC结构的单片机，大多数指令可在1个时钟周期内完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系统内可编程Flash，4 K字节的EEPROM和2个串行接口。它与GSM模块、RFID模块、液晶模块、ZigBee协调器和PC机相连，是整套硬件系统的核心，完成对中央控制管理系统的响应和对各模块的驱动。GSM模块采用TC35i模块。它通过串行UART接口直接与控制中心MCU相连。RFID模块采用ZLG500模块，其内部集成了MFRC500型ISO14443A读卡器，能够读写RC500内的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用标准SPI接口规范，故只能与单片机的通用I／O接口相连才能实现通信。液晶模块选用1602液晶，采用4线接口与控制中心MCU的通用I／O接口相连。ZigBee协调器与控制中心MCU采用2线接口即可实现两者间的数据双向传输。控制中心MCU与计算机RS232串口相连，传输数据稳定、可靠，实时性好。
2．2 监控节点
    监控节点的功能有：1)人体信号的检测，当盗贼入侵时进行声光报警；2)灯光的控制，其控制方式分为自动控制和手动控制，自动控制是根据室内光线的强弱自动打开／关闭灯光，手动控制是通过中央控制管理系统实现灯光控制：3)将报警信息及其他信息发送至控制中心，并接收来自控制中心的控制指令以完成设备控制。从监控节点的功能出发，监控节点组成如图3所示。

    红外加微波的探测模式是目前在人体信号检测时最常用的方式。热释电红外探头这里选用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V电压供电，内置热释电双敏感红外元件，当元件接收红外光时在每个元件两极发生光电效应而积累电荷。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它与RE200B及少量元件就可构成被动式热释电红外开关。微波传感器选用ANT-G100模块，中心频率是10 GHz，建立时间最大值是6μs。与热释电红外模块复合使用，可有效降低目标探测错误率。
    灯光控制模块主要由光敏电阻和灯光控制继电器组成。将光敏电阻与10 kΩ的可调电阻串联，再将光敏电阻另一端接地，可调电阻另一端接高电平。通过单片机的模数转换器获取两个电阻连接点的电压值，从而判定当前灯光是否打开。可调电阻可供用户调节，以满足用户设置灯光刚刚打开时的光线强度。室内灯光的开关通过继电器控制。只需一个输入输出口即可实现。
2．3 选择添加的家用电器控制器
    选择添加的家用电器的控制主要根据设备功能实现设备控制，这里以电风扇为例。电风扇控制就是控制中心将上位机下达的电风扇控制指令通过ZigBee网络发送至电风扇控制器实现，不同的家电识别码是不同的，例如，本协议规定电风扇的识别码是122，家用彩电的识别码是123，这样就实现控制中心对不同家电的识别。而对于相同的指令代码，不同家电执行的功能是不一样的。图4为选择添加的家用电器组成。

3 系统软件设计
    系统软件设计主要包括6部分，分别为远程控制网页设计、中央控制管理系统设计，控制中心主控制器ATMegal28程序设计、CC2430协调器程序设计、CC2430监控节点程序设计、CC2430选择添加设备的程序设计。
3．1 ZigBee协调器的程序设计
    协调器首先完成应用层初始化，将应用层状态和接收状态设为空闲，然后打开全局中断并初始化I／O端口。接着协调器开始建立无线星形网络。协议中，协调器自动选择2．4 GHz的频段，每秒发送的最大比特数为62 500，默认的个域网网络号(PANID)是0x1347，最大的堆栈深度为5，最大单次发送的字节数为93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒产生中断10次。在ZigBee网络建立成功后，协调器将其地址传送给控制中心MCU。这里，控制中心MCU将ZigBee协调器识别为监控节点的一员，它被识别的地址为0。程序进入主循环。首先判断是否有终端节点发送的新数据，如果有，则直接把这个数据传送至控制中心MCU；判断控制中心MCU是否有指令下传，如果有则将下传的指令发送到相应的ZigBee终端节点；判断安防是否打开，是否有盗贼入侵，如果有则把报警信息传送至控制中心MCU；判断灯光是否处于自动控制状态，如果是，则打开模数转换器进行采样，采样值是灯光打开或关闭的关键，如果发生灯光状态改变则把新的状态信息传送到控制中心MC-U。ZigBee协调器程序流程如图5所示。

3．2 ZigBee终端节点的程序设计
    ZigBee终端节点是指由ZigBee协调器控制的无线ZigBee节点，在系统中主要是监控节点和选择添加的家用电器控制器。ZigBee终端节点的初始化同样包括应用层初始化，打开中断和初始化I／O口。接着尝试加入ZigBee网络，需要强调的是：只有和ZigBee协调器设置一致的终端节点才能加入到网络中。如果ZigBee终端节点尝试加入网络失败，则每两秒重新尝试一次，直至顺利加入到网络中。加入网络成功后，Zi-gBee终端节点将其注册信息发送至ZigBee协调器，再由ZigBee协调器转发至控制中心MCU以完成ZigBee终端节点的注册。ZigBee终端节点如果是监控节点，则实现灯光及安防的控制，程序与ZigBee协调器部分类似，只是监控节点需将数据发送到ZigBee协调器，再由ZigBee协调器将数据传送至控制中心MCU。ZigBee终端节点如果是电风扇控制器，则只需接收上位机的数据，而不必上传状态，故它的控制可以在无线数据接收中断中直接完成。在无线数据接收中断中，所有终端节点都是将接收的控制指令翻译成对节点本身的控制参数，在节点主程序中不对接收的无线指令进行任何处理。

4 联机调试
    由中央控制管理系统下发的对固定设备的指令编码递增的指令，通过计算机串口发送至控制中心MCU，并通过两线接口发送至协调器，再由协调器发送至ZigBee终端节点，在终端节点接收完成时将数据再次通过串口发送至PC机，在这台PC机上完成ZigBee终端节点接收的数据与控制中心所发送的数据的比较。中央控制管理系统每一秒发送2条指令，经过5 h的测试，测试软件显示共接收数据包数量为36000包时停止测试。多协议数据传输测试软件测试结果如图6所示。正确数据包36 000，错误数据包数为0，正确率为100％。

5 结束语
    通过ZigBee技术实现智能家居内部组网，具有远程控制方便，添加新设备灵活和控制性能可靠等优点。通过RFTD技术实现用户身份识别，提高系统的安全性。通过GSM模块的接入，实现了远程控制和报警功能。