基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计

徐书芳，王金海，宫玉龙，任 凯

(天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387)

嵌入式技术、网络通信技术的发展以及人们物质生活水平不断提高，推动了智能家居、信息家电等概念的出现。智能家居就是将室内的家电设备有机地连接在一起，使多个设备形成联动并能够进行信息交互[1]。ZigBee技术的发展为研究智能家居提供了基础，本文构建了智能家居控制系统的整体框架、系统软件平台，实现了管理中心对家电设备节点的功能控制，从应用角度阐述了智能家居系统的现实意义。

对于家庭网络通信而言，传输数据量小，在传输速率上要求不高，网络容量大，家电设备多，所以信息实时性要好，时延短，成本低。ZigBee是一种新型无线连接技术，相对各种无线通信技术而言，ZigBee技术是功耗和成本最低的技术之一[2-3]。它能够很好地满足家庭网络的需求。

1 系统整体方案设计

智能家居控制系统主要由三部分构成：中央控制器,智能终端，远程用户控制端。本系统主要由ARM920T内核的S3C2440微处理器、液晶触摸屏、电源电路、电话装置、GPRS收发模块、ZigBee通信模块等组成。系统总体框图如图1所示。此设计主要用于方便控制家电设备，未达到实时监控。

远程手机用户通过发送短信或者直接触摸与中央控制器相连接的触摸屏，把控制家电的命令传达给中央控制器，中央控制器再通过ZigBee模块传输给智能终端，最终达到控制终端设备的目的。同时中央控制器通过GPRS模块向远程用户发送设备的运行情况。当探测到有外部人员侵入或者发生火灾等危急情况时，中央控制器就会通过发送短信向手机用户报警，同时通过USB摄像头采集图像并进行图像处理，最后通过彩信的形式发送给手机用户[4]。

图1 智能家居控制系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 S3C2440中央控制器

中央控制器是本系统的核心控制部分，所有控制信息的发送和接收都是通过它来完成的。中央控制器由ARM9处理器、SDRAM、Flash、供电电源和复位模块、LCD触摸屏和相关外围电路组成。本设计选用三星公司生产的基于ARM920T内核的S3C2440高性价比处理器，它是一款16/32位RISC嵌入式微处理器，其主频处理速度可高达533 MHz，它不仅具有一般嵌入式芯片所具有的SDROM控制器和总线，还具有丰富的功能扩展，内部集成了TFT/STN LCD和触摸屏控制器、多个串口，GPRS模块接口、以太网接口、USB接口、摄像头接口、AC97数字音频接口、SD&MMC存储卡接口等大量的功能模块，完全满足家庭网络的设计要求。中央控制器的主要管脚硬件连接如图2所示。

2.2 GPRS无线通信模块

本系统采用SIMCOM公司生产的GPRS模块SIM300，插入SIM卡，即插即用与中央控制器相连接。SIM300芯片是一款三频段GSM/GPRS模块，GPRS采用分组交换技术，支持资源共享，频带利用率高，数据传输率高，最高达171.2 kb/s。SIM300与中央控制器S3C2440的接口电路如图3所示。

图2 中央控制器主要管脚连接图

本系统采用SP3238芯片实现电平转换，S3C2440通过串口1控制SIM300模块，用异步通信模式与GPRS模块进行通信，通过SIM300模块以AT指令的格式发送短信或者拨打电话，达到接受远程用户的控制命令以及向用户汇报家电运行状态的目的。GPRS网络永远在线并且按流量计费，通信成本低，因此GPRS技术应用在智能家居控制系统中是无线数据传输的最佳选择。

图3 S3C2440与SIM300硬件连接

2.3 ZigBee无线通信设计

2.3.1 ZigBee组网设计

ZigBee组网分为星型、网型、树簇型，根据智能家居控制系统的特点，本设计采用树簇型结构组网，树簇型网络节点分为三类：协调器、路由器、智能终端。一般家庭网络都很小，可以不用路由器。网络结构拓扑图如图4所示。

图4 树簇型网络结构图

网络中的协调器是整个网络的核心,负责组网,中央控制器为此类节点,在一个智能家居控制系统中只有一个主控制器是协调器。路由器不但具有收发数据功能，还具有转发数据的功能，部分强电供电智能终端为此类节点。智能终端只能接收数据不能转发数据,一些低功耗家电设备采用此类节点类型。采用树簇型网络的优点是能够让终端设备降低功耗,不发送数据时,可以将处理器设置成休眠模式[2-4]。

2.3.2 ZigBee通信模块设计

本设计选用TI公司生产的CC2530芯片作为ZigBee组网主控芯片，每个智能家居设备都包括一个ZigBee模块。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个真正片上系统解决方案，它能够用低成本的材料组建强大的网络节点。它不仅支持TI的Z-Stack协议栈，内部还集成了低功耗的8051单片机，外围电路包括通用I/O口、SPI口、A/D转换接口以及串口等，接口资源丰富。CC2530的外围电路如图5所示。CC2530模块通过扩展引出通用接口来支持智能终端功能的设计。

图5 CC2530硬件设计电路图

2.3.3 ZigBee抗干扰性能分析

ZigBee抗干扰主要是抗同频干扰。IEEE802.15.4无线通信标准中提供了很多抗干扰性能，例如：动态信道选择、空闲信道评估、信道算法等。通过实验证明，正确选择信道、增大频偏可以减小ZigBee的干扰性。WiFi与ZigBee可以近距离(小于2 m)共存；而蓝牙设备却采用调频技术，对网络的干扰很小，所以两者也能很好地共存；当ZigBee设备与微波炉的距离大于1 m时，产生的干扰可以忽略不计；家用无绳电话(2.4 GHz)可以调整与Zig-Bee设备的距离来减小干扰,使干扰源尽量远离ZigBee网络。因此ZigBee在2.4 GHz频段能可靠地与 WiFi、蓝牙、微波炉以及家用无绳电话共存。

2.4 家电控制终端

家庭智能控制终端主要包括家电控制模块、门禁控制模块、灯光控制模块、窗帘控制模块以及安防控制模块等。各个模块都与各种传感器相连接，每个控制模块都通过ZigBee模块与ARM9中央控制平台实现无线连接，组成一个家庭无线智能控制网络。

智能家居控制系统以ZigBee网络作为桥梁，家电控制终端与S3C2440中央控制器进行信息交互，接收控制命令和回送家电运行状态以及发送报警信息等。智能终端节点框图如图6所示。

图6 终端节点框图

3 系统软件设计

本文软件设计可以分为两部分：中央控制器部分、智能终端平台部分。主控平台的软件系统运行在中央控制器S3C2440上，采用开源的Linux操作系统，将用户传达的信息通过ZigBee模块发送出去，同时接受终端平台发送回来的反馈信息，并显示家电的运行状态。有异常情况发生时，能够通过ZigBee模块及时将信息反馈给主机，主机通过GPRS模块向远程用户发送报警信息。

3.1 中央控制器与GPRS模块通信的软件实现

本系统主程序流程如图7所示，主程序运行在中央控制器S3C2440上，由许多实现相应功能的子程序组成，主要包括GPRS无线通信程序、ZigBee无线通信程序、图像采集处理程序、各智能模块控制程序等。ARM9与GPRS模块的通信实际是用WindowS API函数实现RS232通信的编程，ARM9通过串口UART1控制GPRS模块，以短信的形式与用户进行交互信息。

图7 本系统主程序流程图

3.2 终端模块的软件实现流程

智能终端模块主要是接受中央控制器通过ZigBee模块发来的命令，同时解析命令，然后做出相应的操作，例如：启动或关闭与之对应的电器，并将电器的运行状态回送给中央控制器。智能终端模块的软件流程图如图8所示。

图8 终端模块软件流程图

首先系统上电后，初始化设备，即打开串口中断、定时器中断、各个I/O口中断等，然后查询UART是否收到消息（是否收到中央控制器发来的ZigBee信息），并不断地循环检测，检测到信息后，对信息进行解析与处理，最后判断用户是要对哪个家电进行操作，还是查询家电的运行情况。如果是查询某个家电的运行情况，智能终端就将家电的运行状态通过ZigBee网络发送给中央控制器；如果用户要对家电进行操作，首先判断是哪个家电需要进行操作，然后判断对该家电进行怎样的控制，并执行相应的操作，同时把家电运行状态反馈给中央控制器，不断循环返回[5]。

本文设计了一种基于ZigBee和GPRS技术的智能家居控制系统，给出了详细的设计方案和系统框图，从硬件、软件两方面具体阐述了本文的设计思路和实现方法。本设计采用ZigBee技术组建家庭网络进行无线通信，很好地解决了中央控制器S3C2440与各个智能家居被控模块之间的无线通信，避免了繁杂的布线问题，同时采用GPRS网络实现远程手机用户对智能家居控制系统的远程控制[5],给家庭生活带来巨大的便利和安全，具有很好的实用价值，给未来智能家居控制系统的发展提供了一个方向。

[1]周游，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].电子技术应用，2009，23(9)：37-39.

[2]张周，周剑扬.ZigBee在智能家居中的应用研究[J].工业控制计算机，2010，19(12)：7-9.

[3]陈致远，朱叶承.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2012，38(9)：138-140.

[4]邵雯.基于ZigBee技术家居智能控制系统的设计[J].软件开发与设计，2012，4(6)：69-70.

[5]吴文忠,李万磊.基于ARM与ZigBee的智能家居系统[J].计算机与工程设计，2011，3(5)：30-34.