基于Zigbee无线组网的智能家居控制系统的设计

上海电机学院机械学院 王顺利 何 力 王景夏 李 钊 辛绍杰

1.引言

智能化家居控制系统使人们可以通过手机或座机在任何时间、任意地点对家中的诸如空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机等电器进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭等等。而这一切的实现仅仅是打一个电话或发一条短信。此外，该系统还具有多途径报警、远程监控等功能。若出现某种险情，可以在第一时间获得通知使你提早采取措施。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、家庭环境等进行方便地控制，使人们尽享高科技所带来的简便、时尚的现代生活。

2.控制系统整体设计

智能家居控制系统的整体结构如图1所示，本系统包括PC端的智能家居上位机控制系统，ZigBee主控制系统和各个功能终端模块，GSM报警模块。上位机程序使用LABVIEW编写，ZigBee控制器采用ZigBee CC2530无线开发模块实现，GSM采用SIM900gsm模块。程序设计包括基于LABVIEW的上位机程序和下位机程序设计。用户通过上位机中的虚拟按键控制家里的电灯开关、窗帘电机等。老人安全如厕检测终端若检测到老人与厕时间超过设定值会通过GSM模块向其子女的手机发送警报信号。

图1 智能家居整体结构图

图2 上位机程序设计流程图

3.上位机程序设计

上位机软件编写采用LABVIEW编写，程序有灯控制模块、窗帘电机控制模块、老人如厕红外源安全检测模块。

3.1 上位机设计流程

程序的编写流程如图2所示。先对程序变量进行初始化，配置串口，设置波特率、数据位等参数。在主循环里面进行串口数据的接收，对接收到的数据进行数据处理函数。在另外一个循环里面检测按键事件，然后把按下按键的键值发送给ZigBee主控制器。

3.2 上位机程序设计

智能家居系统包含串口程序、按键处理程序模块和如厕信息处理模块。串口程序包含最基础的串口配置、串口读写与串口关闭程序。配置串口波特率为9600，数据位为8。如图3所示。

图3 串口读写程序

在按键处理程序中，设置按键数值改变为事件触发函数的时间，在每个相应的按键触发时间中，通过串口发送命令数据。如图4所示。

图4 按键事件处理程序

图5 老人如厕数据处理程序

在老人如厕数据处理程序中，下位机检测到老人进入厕所后，把老人进入厕所数据发送给上位机，上位机开始计时，如果在设定的时间内，还没接收到老人离开厕所信号，上位机则发出警报，同时把数据发送给下位机中的主控制器。主控制器通过连接的GSM模块通知老人儿女。上位机程序如图5和图6所示。在本程序中，上位机接收到老人进入厕所数据，在人机界面中显示老人已经进入厕所，并且把老人如厕标志位设置为TURE，在主循环里面开始计时，如果这时接收到老人离开标志位，将老人标志位设置为FLASE，清除计时。

图6 老人如厕计时程序

3.3 上位机人机界面设计

程序设计界面如图7所示。界面左面是电灯控制虚拟按键，中间为电动窗帘控制按键，右面为老人如厕计时，一旦时间超过设置最大限定值，系统就会发出警报短信。

图7 上位机截图

4.控制主机和控制终端设计

控制主机和终端采用Zigbee CC2530无线开发模块，该模块通讯距离可以从标准的75米到几百米、几公里，可扩展性强，完全可以满足系统的要求。编译环境为IAR。C编译器IAR Embedded Workbench是其最著名的产品，支持众多知名半导体公司的微处理器。

下位机程序主要包括Zigbee无线信号发送与接收程序，串口通讯函数。在Zigbee通信函数采用：basicRfSendPacket(RECEIVE3_ADDR,pTxData,APP_PAYLOAD_LENGTH)；子程序，第一个参数是网内地址，第二个是发送的数据，第三个是数据的长度。在Zigbee接收端，自动匹配当前接收的地址是否向本模块发送，如果不是就不接收本数据，如果接收地址是当前模块的地址，使用：basicRfReceive(pRxData,APP_PAYLOAD_LENGTH,NULL)，函数接收，数据放在pRxData数组里面。模块之间的相互通信通过这两个函数进行。然后各模块根据自己的任务，发送和接收相关的数据。

主机与上位机通讯是采用串口通信，通讯波特率为9600，数据位8BIT，无奇偶校验位。主机程序接收到上位机发过来的命令经过分析后，分别把指令发送到每个模块里面去。

5.小结

按照设计方案完成了样机制作，样机实验证明：该控制系统利用上位机的人机交互界面，由控制主机分别控制每个zigbee终端，很好地实现了电灯的开关、窗帘的升降、在家老人安全如厕的检测等功能。该产品具有成本低廉、性价比高、体积小，功能强，功耗低等特点。同时，它的可扩展性好，最高可以扩展256个终端。另外，主控制器与GSM模块连接方便，较好地实现手机控制家用电器的功能。