基于ZigBee技术的智能家居系统
基于ZigBee技术的智能家居系统
摘 要
讨论了智能家居系统的发展方向、设计准则和关键问题；提出了一个基于ZigBee技术的智能家居系统的总体结构框架、设计思想和实现步骤；实现了带有多种家庭终端接口的无线家庭网络系统，本系统具有低成本、高适应性、高稳定性、易操作性等优点，提高了智能家居系统的自动化和智能化水平；最后分析了原型系统的功能与技术特点。
关键词：智能家居；ZigBee；家庭终端
1 引言
智能家居（smartHome）是指利用先进的计算机技术、网路通信技术、综合布线技术，通过家庭管理平台，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起实现自动控制的系统。智能家居是在信息技术的发展和人类对居住环境的要求不断提高基础上产生的，是信息社会发展的必然趋势。智能家居能够为人类提供舒适的居住环境、安全的家庭体系、方便的生活方式及高效率的工作模式。目前这一领域已成为一个世界性的热点问题，但迄今为止还没有成熟的国际标准，各国都在努力研发适合本国国情的智能家居系统。我国在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向，建设部要求“到2010年，大中城市中60%的住宅要实现智能化”。
Zigbee属于无线网络技术，支持IEEE802.15.4标准，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可以组建相应无线网络。它的特点是：有效距离10到100米，传输速率10KB/s到50KB/s，一般操作时间延时15ms，一个ZigBee网路可支持254个从设备和一个主设备。其技术参数完全适用于对数据传输速率没有特殊要求，但要求能耗低、方便实用为主的智能家居领域。
针对我国国情，本文提出了一个基于ZigBee技术的智能家居系统的总体结构框架、设计思想和实现步骤，并分析了原型系统的功能与技术特点。
2 系统设计
2.1 总体设计
本系统由家庭控制中心和若干个基于ZigBee技术的无线通信控制模块构成。在家庭控制中心和每个控制模块上都接有一个ZigBee无线通信模块，其中每个模块还应包括检测传感器，和与之连接的系统微控制器MCU，通过这些无线通信模块，数据或指令在控制中心和控制模块之间传送。本系统采用GPRS无线方式与小区网络连接，其中所有家庭智能终端均接入网络协调器，并通过网络协调器与web服务器连接。另外，通过无线电话分机或手机，使用户在任何位置可以对所有家居设备进行控制。相对于目前采用的蓝牙、红外等通信技术，具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点，特别是其符合IEEE802.15.4协议，利于本系统与其它符合标准的产品互联，具有良好的通用性和可扩展性。
2.2 功能设计
结合我国的国情，本次设计的智能家居系统遵循高可靠性、高稳定性、高扩展性、低成本、操作便易的原则。本系统具有以下基本功能：①家庭终端监控：用户可自定义家庭中低端并配置相关参数，可设置家庭终端所在的I/O端口参数，可学习家庭终端定义事件并设置事件触发条件，可实时查询家庭终端的工作状态，随时启动或停止家庭终端，可控制家庭终端的工作方式等②可利用手持设备一键式设置/改变室内背景环境，控制灯光整体效果以及改变背景音乐③可通过手机远程控制。
2.3 性能要求
针对智能家居的特点，我们在设计智能家居系统时应充分考虑以下性能要求（设计原则）：①可靠性：可靠性和稳定性是智能家居系统的成败关键，必须使系统运行稳定、动作准确、反馈精确，原则上不允许出现家庭终端设备误动作，并应有容错设计和冗余设计；②实时性：智能家居系统对实时性要求较高，响应时间应在5秒钟以内；③适应性：考虑到家庭终端的多样性和复杂性，性能优良的智能家居系统应具有强大的适应性、伸缩性和可扩展性，不仅可以支持各种常用的家庭终端，还能够满足不同用户的个性化设置；④易用性：智能家居系统必须为用户提供简单易用的操作方式，必须提供多种远程接入手段，用户不需要专门培训即可在智能家居系统中进行设置、管理及控制。
3 系统硬件设计
3.1 处理器选择
高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，是衡量单片机性能的重要指标。MSP430 系列单片机是一种超低功耗微处理器，该微处理器通过16 位RISC 系统，16 位CPU 集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率。MSP430 的16 位定时器是应用于工业控制如纹波计数器，数字化电机控制，电表和手持式仪表等的理想配置。它的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理的能力。MSP430Fx1x 系列具有FLASH 存储器，不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择。适应工业级应用环境MSP430 的运行环境温度范围为-40---+85℃，适合于本设计所在环境要求。
图3.1 MSP43最小系统
3.2 无线通信模块选择
无线射频收发芯片种类和数量繁多，选用理想的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短开发周期，降低成本。在选择芯片时要考虑到：其所需外围元件的数量，芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片；还要考虑它的发射功率，在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率高的产品，较少的管脚以及较少的封装，有利于减少印刷电路板的面积。
综上决定用CC2430射频芯片。，CC2430支持 IEEE 802.15.4协议，正常工作时所需的外围功能电路少，与主控制器接口简洁，对CC2430操作与控制都十分方便。
CC2430的主要特点是：高性能和低功耗的8051的微控制器核；集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；功耗低；开发工具齐全。
图3.2 CC2430电路原理图
3.3 系统硬件组成
本系统由开关控制模块、水／电／煤数据采集模块、环境监测模块、安防监控模块、红外／蓝牙中继模块和ZigBee遥控器构成；其中家庭控制中心采用16位单片机作为核心处理器，具有显示、操作、数据／指令传送功能；通过基于ZigBee技术的无线通信模块与家庭中的各控制模块进行通信，控制电灯、插座的开关，控制门锁及自动设防／解防；与家庭中的红外／蓝牙中继模块进行通信，实现具有红外／蓝牙遥控功能的电器控制；基于ZigBee技术的无线通信控制模块包括：(1)开关控制模块，用于电灯及各种电器的开关控制；(2)水／电／煤数据采集模块，定时采集各表数据，并发送给家庭控制中心；(3)环境监测模块，定时采集各种环境传感器的信息；(4)安防监控模块，可进行设防、撤防控制及报警；(5)红外／蓝牙中继模块，用于控制具有红外／蓝牙遥控功能的电器； (6)ZigBee遥控器，用于整个系统的遥控。
图3.3 系统结构图
图3.4 处理器与CC12430的连接
4 系统软件设计
家庭智能化系统的软件部分重点包括两部分：（1）无线数据平台。（2）智能家居终端节点微处理器与平台的无线通信程序。
4.1 部分软件流程
4.1.1湿度检测设备主流程
MSP430单片机各种资源丰富，功能强大。先必须对单片机进行初始化，包括系统时钟、定时器、端口等的初始化，还有一些特殊功能ADC等的初始化，然后进入A/D，依次报警限检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。
图4.1 湿度检测主流程图
4.1.2 A/D转换流程
MSP430的内嵌12位ADC，可以通过向AD0BUSY写“1”启动转换，应查询AD0INT位以确定转换何时结束。查询步骤如下：
写“0”到AD0INT；
向AD0BUSY写“1”；
查询并等待AD0INT变“1”；
处理ADC0数据。
图4.2 A/D转换流程图
4.1.3串口中断服务流程
在整个通信过程中，家居设备始终处于被动地位，只需要不断地检测接收中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于执行命令还是查询数据命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否发送成功。若没有成功，连发第二次数据。
图4.3 串口中断流程图
4.1.4 ZigBee控制器流程
ZigBee手持是整个系统地核心，我们在已有的手持硬件中嵌入了自己的操作流程和显示界面。作为命令的发出源，必须不断地扫描按键接口，一旦有按键，则执行相应规定命令或发送特定数据。
然后等待一段时间，接受数据（或反馈信息），在LCD界面显示相应标志或数据。基本流程图如下：
图4.4 ZigBee控制器流程图
4.2设备操作规则
4.2.1湿度检测设备按键（报警限）设置
四个按键负责设置报警上限和下限的增加或减小，每次击键上限或下限都增加或减少2%，并且同时显示报警限。
4.2.2 电扇、窗帘控制设备按键设置
同样，用四个按键负责窗帘的开关，拉开速度快慢，窗帘拉开的程度与击键的时间有关，（即键按下多久，电机运行多久）；控制交流电电器电扇的开关，换挡等功能。
窗帘操作：
小功率电扇操作：
基于ZigBee的家具智能系统，具有通信功能强，功耗低等优点，家庭应用时无线通信有效距离适中，具有良好的应用前景。目前。我们的开发只处于实验室阶段，通过一些简单设备的改装和调试，实现了预期的基本目标。可以控制窗帘、交流电电器电扇等简单设备，也可以进行湿度、温度等环境参数的无线检测。该系统也可进一步扩展为对所有家庭多种环境数据综合采集，对各种家电实现网络化控制，组成高度自动化、智能化、网络化的智能家居系统。
5 结束语
本文针对我国国情提出了一个智能家居系统的实验模型，并完成了模型系统的开发，实现了基本功能，模型系统演示试用受到了好评，应用开发前景诱人。本系统的设计思想是基于ZigBee无线通信技术建立智能家居系统，充分发挥ZigBee技术低功耗、低成本、易于实现的特点。以满足家庭的要求。我们相信在不远的将来智能家居系统必将迅速在我国普及，并彻底改变人们的生活方式，大大提高人们的生活质量。
参考文献
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