基于ZigBee技术的智能家居系统设计

王青青　于本成

摘要：以CC2530芯片及其外围设备构成硬件系统，使用IAR Embedded Workbench软件对芯片进行编译、调试、下载，通过ZigBee技术组建智能家居网络，对智能家居环境温度、湿度、光照度进行实时监测，实验结果表明，该系统测量准确性高、实时性好，并能通过网络远程控制，能为人们提供舒适、方便和人性化的智能家居环境。

关键词：智能家居；ZigBee；CC2530

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美国、欧洲等西方发达国家提出，智能家居将计算机技术、无线局域网技术、传感器技术以及嵌入式系统技术融合应用于家庭环境中，使家居生活中的照明系统、安防系统、环境监测系统等有机结合起来[1]。实现智能家居系统以后，人们可以通过网络，实现对家中相关设备的远程监测和控制。该文设计了一套能够监测家庭环境中温度、湿度、光照强度、人体等数据的智能家居系统。以TI公司生产的CC2530芯片为硬件平台，使用IAR编程调试工具，在TI公司开发好的Z-Stack协议栈的基础上，利用终端节点采集家居生活环境中的相关参数，通过ZigBee无线网络发送到协调器，协调器通过RS232串口，将采集到的数据在 PC 上进行显示，并且可以通过Internet远程访问，实现控制[2]。

1 ZigBee 技术介绍

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点主要有以下几点：

1）功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月；

2）成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；

3）网络容量大：网络可容纳65000个设备；

4）时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；

5）网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；

6）数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性

7）工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

2 系统实现

采用星形拓扑结构，在家居环境中部署温度传感器节点、湿度传感器节点、关照度传感器节点、红外传感器节点，各传感器节点与家庭网关之间通过ZigBee协议栈无线连接，对家居环境中的温度、湿度、光照度、红外进行实时监测，并将监测到的数据通过无线方式实时发送到家庭网关，家庭网关通过RS232串口将采集到的家居环境中的信息传输到PC机，由PC机进行处理，并可根据监测值，通过相关的执行机构控制家居电器，例如温度过高，打开空调，光照度低，打开电灯等，实现家居生活的智能控制，系统的机构图如图1所示。

2.1系统硬件平台

系统选用TI公司所研发的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生产的第一款符合ZigBee标准的2.4GHz射频体系单片机。它整合了CC2530中高性能的RF收发组件和一个符合工业标准的增强8051内核MCU，具有开发难度低的SoC特性。工作于免许可的2.4GHz频段。CC2530 硬件平台的结构框图如图2所示。

要实现对家居环境中温湿度、光照度等数据的无线采集，终端节点中配备采集所必须的传感器，那么就需要在终端节点中加入相应的传感器驱动程序，在Z-Stack协议栈的应用层中添加相关的程序以实现温湿度、光照度、红外数据的采集。终端节点采集到家居环境信息通过无线网络发送到家庭网关，采取适当的路由算法，配置网络层的相关参数，保证终端节点与协调器之间能够正常通信、协调器能够准确无误地控制终端节点[3]。

2.2系统软件设计

系统采用ZigBee无线通信技术，软件采用的是TI公司所研发Z-Stack 协议栈。Z-Stack 协议栈的物理层和MAC层遵循国际电信联盟所制定的IEEE802.15.4规范，网络层和应用层遵循ZigBee联盟所制定的标准，用户可以根据系统的功能需要进行定义[4]。本系统软件设计主要是ZigBee的组网，主要包括：协议栈启动、节点入网和节点间的绑定。

1）协议栈的启动：当设备上电启动时，首先要进行初始化，主要包括初始化时钟、硬件的监测、各软件模块的初始化操作，完成初始化以后，进入到协议栈，协议栈即一个小型的操作系统，采用任务轮询循环机制，轮询要执行的任务。具体启动过程如图3所示。

2） 节点入网：ZigBee组网需要协调器，所以协调器首先启动，选择可用的信道，配置网络 ID，然后扫描信道，侦听与自己网络 ID 匹配的节点的入网请求，判断入网请求，如果请求匹配，则为节点分配短地址，允许节点加入网络。而节点启动时，在进行初始化以后就会根据预先配置好的网络 ID，搜寻网络。节点入网流程如图4 所示。

3） 节点间的绑定： 节点入网以后，还需要与协调器在应用层上建立一个逻辑上的链接，即节点间的绑定。只有在建立绑定的基础上，采集节点和协调器之间才能进行应用层数据帧的信息交互：协调器够收到节点的采集数据，节点能收到协调器的控制指令。节点绑定的流程如图5 所示。

3 实验结果

采用星形网络拓扑在现实环境中部署温度、湿度、光照度、红外传感器，进行实际的测量，以温度传感器为例，测量结果如图6所示。

4 结束语

基于ZigBee技术的智能家居系统，采用无线通信，应用于家居环境中，系统能准确地采集温度、湿度、光照度等信息，且在PC终端显示各项信息，并能根据控制端的指令无线控制终端节点的执行机构，实现无线控制智能家居中的设备。采用ZigBee技术组建智能家居网络，无需布线，也无需对室内电线作任何改动，安装简单、易行，实时性强、成本低廉、具有测量准确、易于扩展的特点。

参考文献：

[1] 张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33（13）：1-11.

[2] 赵凯，龚仁喜. 基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].装备制造技术，2009（8）：127-129.

[3] 深圳市威百仕集成电路有限公司. VIC-SP3SK2 用户手册[M].深圳：2006.

[4] 乐强.WiMAX Mesh 网络技术分析[J].信息安全与通信保密，2012（8）：71-73.endprint

摘要：以CC2530芯片及其外围设备构成硬件系统，使用IAR Embedded Workbench软件对芯片进行编译、调试、下载，通过ZigBee技术组建智能家居网络，对智能家居环境温度、湿度、光照度进行实时监测，实验结果表明，该系统测量准确性高、实时性好，并能通过网络远程控制，能为人们提供舒适、方便和人性化的智能家居环境。

关键词：智能家居；ZigBee；CC2530

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美国、欧洲等西方发达国家提出，智能家居将计算机技术、无线局域网技术、传感器技术以及嵌入式系统技术融合应用于家庭环境中，使家居生活中的照明系统、安防系统、环境监测系统等有机结合起来[1]。实现智能家居系统以后，人们可以通过网络，实现对家中相关设备的远程监测和控制。该文设计了一套能够监测家庭环境中温度、湿度、光照强度、人体等数据的智能家居系统。以TI公司生产的CC2530芯片为硬件平台，使用IAR编程调试工具，在TI公司开发好的Z-Stack协议栈的基础上，利用终端节点采集家居生活环境中的相关参数，通过ZigBee无线网络发送到协调器，协调器通过RS232串口，将采集到的数据在 PC 上进行显示，并且可以通过Internet远程访问，实现控制[2]。

1 ZigBee 技术介绍

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点主要有以下几点：

1）功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月；

2）成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；

3）网络容量大：网络可容纳65000个设备；

4）时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；

5）网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；

6）数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性

7）工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

2 系统实现

采用星形拓扑结构，在家居环境中部署温度传感器节点、湿度传感器节点、关照度传感器节点、红外传感器节点，各传感器节点与家庭网关之间通过ZigBee协议栈无线连接，对家居环境中的温度、湿度、光照度、红外进行实时监测，并将监测到的数据通过无线方式实时发送到家庭网关，家庭网关通过RS232串口将采集到的家居环境中的信息传输到PC机，由PC机进行处理，并可根据监测值，通过相关的执行机构控制家居电器，例如温度过高，打开空调，光照度低，打开电灯等，实现家居生活的智能控制，系统的机构图如图1所示。

2.1系统硬件平台

系统选用TI公司所研发的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生产的第一款符合ZigBee标准的2.4GHz射频体系单片机。它整合了CC2530中高性能的RF收发组件和一个符合工业标准的增强8051内核MCU，具有开发难度低的SoC特性。工作于免许可的2.4GHz频段。CC2530 硬件平台的结构框图如图2所示。

要实现对家居环境中温湿度、光照度等数据的无线采集，终端节点中配备采集所必须的传感器，那么就需要在终端节点中加入相应的传感器驱动程序，在Z-Stack协议栈的应用层中添加相关的程序以实现温湿度、光照度、红外数据的采集。终端节点采集到家居环境信息通过无线网络发送到家庭网关，采取适当的路由算法，配置网络层的相关参数，保证终端节点与协调器之间能够正常通信、协调器能够准确无误地控制终端节点[3]。

2.2系统软件设计

系统采用ZigBee无线通信技术，软件采用的是TI公司所研发Z-Stack 协议栈。Z-Stack 协议栈的物理层和MAC层遵循国际电信联盟所制定的IEEE802.15.4规范，网络层和应用层遵循ZigBee联盟所制定的标准，用户可以根据系统的功能需要进行定义[4]。本系统软件设计主要是ZigBee的组网，主要包括：协议栈启动、节点入网和节点间的绑定。

1）协议栈的启动：当设备上电启动时，首先要进行初始化，主要包括初始化时钟、硬件的监测、各软件模块的初始化操作，完成初始化以后，进入到协议栈，协议栈即一个小型的操作系统，采用任务轮询循环机制，轮询要执行的任务。具体启动过程如图3所示。

2） 节点入网：ZigBee组网需要协调器，所以协调器首先启动，选择可用的信道，配置网络 ID，然后扫描信道，侦听与自己网络 ID 匹配的节点的入网请求，判断入网请求，如果请求匹配，则为节点分配短地址，允许节点加入网络。而节点启动时，在进行初始化以后就会根据预先配置好的网络 ID，搜寻网络。节点入网流程如图4 所示。

3） 节点间的绑定： 节点入网以后，还需要与协调器在应用层上建立一个逻辑上的链接，即节点间的绑定。只有在建立绑定的基础上，采集节点和协调器之间才能进行应用层数据帧的信息交互：协调器够收到节点的采集数据，节点能收到协调器的控制指令。节点绑定的流程如图5 所示。

3 实验结果

采用星形网络拓扑在现实环境中部署温度、湿度、光照度、红外传感器，进行实际的测量，以温度传感器为例，测量结果如图6所示。

4 结束语

基于ZigBee技术的智能家居系统，采用无线通信，应用于家居环境中，系统能准确地采集温度、湿度、光照度等信息，且在PC终端显示各项信息，并能根据控制端的指令无线控制终端节点的执行机构，实现无线控制智能家居中的设备。采用ZigBee技术组建智能家居网络，无需布线，也无需对室内电线作任何改动，安装简单、易行，实时性强、成本低廉、具有测量准确、易于扩展的特点。

参考文献：

[1] 张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33（13）：1-11.

[2] 赵凯，龚仁喜. 基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].装备制造技术，2009（8）：127-129.

[3] 深圳市威百仕集成电路有限公司. VIC-SP3SK2 用户手册[M].深圳：2006.

[4] 乐强.WiMAX Mesh 网络技术分析[J].信息安全与通信保密，2012（8）：71-73.endprint

摘要：以CC2530芯片及其外围设备构成硬件系统，使用IAR Embedded Workbench软件对芯片进行编译、调试、下载，通过ZigBee技术组建智能家居网络，对智能家居环境温度、湿度、光照度进行实时监测，实验结果表明，该系统测量准确性高、实时性好，并能通过网络远程控制，能为人们提供舒适、方便和人性化的智能家居环境。

关键词：智能家居；ZigBee；CC2530

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）12-2828-03

The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

WANG Qing-qing， YU Ben-cheng

Abstract： The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ，using IAR Embedded Workbench compile， debugging and download， constructed network by ZigBee technology， the system provide real-time monitoring of the environment temperature， humidity， light intensity. The experimental results show that， the system measurement accuracy， good real-time performance， and it may realize the remote control， provides comfortable， convenient and the user-friendly intelligence lives environment.

Key words： The smart home； ZigBee； CC2530

智能家居又叫Smart Home，最早是由美国、欧洲等西方发达国家提出，智能家居将计算机技术、无线局域网技术、传感器技术以及嵌入式系统技术融合应用于家庭环境中，使家居生活中的照明系统、安防系统、环境监测系统等有机结合起来[1]。实现智能家居系统以后，人们可以通过网络，实现对家中相关设备的远程监测和控制。该文设计了一套能够监测家庭环境中温度、湿度、光照强度、人体等数据的智能家居系统。以TI公司生产的CC2530芯片为硬件平台，使用IAR编程调试工具，在TI公司开发好的Z-Stack协议栈的基础上，利用终端节点采集家居生活环境中的相关参数，通过ZigBee无线网络发送到协调器，协调器通过RS232串口，将采集到的数据在 PC 上进行显示，并且可以通过Internet远程访问，实现控制[2]。

1 ZigBee 技术介绍

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点主要有以下几点：

1）功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月；

2）成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；

3）网络容量大：网络可容纳65000个设备；

4）时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；

5）网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；

6）数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性

7）工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

2 系统实现

采用星形拓扑结构，在家居环境中部署温度传感器节点、湿度传感器节点、关照度传感器节点、红外传感器节点，各传感器节点与家庭网关之间通过ZigBee协议栈无线连接，对家居环境中的温度、湿度、光照度、红外进行实时监测，并将监测到的数据通过无线方式实时发送到家庭网关，家庭网关通过RS232串口将采集到的家居环境中的信息传输到PC机，由PC机进行处理，并可根据监测值，通过相关的执行机构控制家居电器，例如温度过高，打开空调，光照度低，打开电灯等，实现家居生活的智能控制，系统的机构图如图1所示。

2.1系统硬件平台

系统选用TI公司所研发的CC2530芯片，CC2530是由Chipcon公司生产的第一款符合ZigBee标准的2.4GHz射频体系单片机。它整合了CC2530中高性能的RF收发组件和一个符合工业标准的增强8051内核MCU，具有开发难度低的SoC特性。工作于免许可的2.4GHz频段。CC2530 硬件平台的结构框图如图2所示。

要实现对家居环境中温湿度、光照度等数据的无线采集，终端节点中配备采集所必须的传感器，那么就需要在终端节点中加入相应的传感器驱动程序，在Z-Stack协议栈的应用层中添加相关的程序以实现温湿度、光照度、红外数据的采集。终端节点采集到家居环境信息通过无线网络发送到家庭网关，采取适当的路由算法，配置网络层的相关参数，保证终端节点与协调器之间能够正常通信、协调器能够准确无误地控制终端节点[3]。

2.2系统软件设计

系统采用ZigBee无线通信技术，软件采用的是TI公司所研发Z-Stack 协议栈。Z-Stack 协议栈的物理层和MAC层遵循国际电信联盟所制定的IEEE802.15.4规范，网络层和应用层遵循ZigBee联盟所制定的标准，用户可以根据系统的功能需要进行定义[4]。本系统软件设计主要是ZigBee的组网，主要包括：协议栈启动、节点入网和节点间的绑定。

1）协议栈的启动：当设备上电启动时，首先要进行初始化，主要包括初始化时钟、硬件的监测、各软件模块的初始化操作，完成初始化以后，进入到协议栈，协议栈即一个小型的操作系统，采用任务轮询循环机制，轮询要执行的任务。具体启动过程如图3所示。

2） 节点入网：ZigBee组网需要协调器，所以协调器首先启动，选择可用的信道，配置网络 ID，然后扫描信道，侦听与自己网络 ID 匹配的节点的入网请求，判断入网请求，如果请求匹配，则为节点分配短地址，允许节点加入网络。而节点启动时，在进行初始化以后就会根据预先配置好的网络 ID，搜寻网络。节点入网流程如图4 所示。

3） 节点间的绑定： 节点入网以后，还需要与协调器在应用层上建立一个逻辑上的链接，即节点间的绑定。只有在建立绑定的基础上，采集节点和协调器之间才能进行应用层数据帧的信息交互：协调器够收到节点的采集数据，节点能收到协调器的控制指令。节点绑定的流程如图5 所示。

3 实验结果

采用星形网络拓扑在现实环境中部署温度、湿度、光照度、红外传感器，进行实际的测量，以温度传感器为例，测量结果如图6所示。

4 结束语

基于ZigBee技术的智能家居系统，采用无线通信，应用于家居环境中，系统能准确地采集温度、湿度、光照度等信息，且在PC终端显示各项信息，并能根据控制端的指令无线控制终端节点的执行机构，实现无线控制智能家居中的设备。采用ZigBee技术组建智能家居网络，无需布线，也无需对室内电线作任何改动，安装简单、易行，实时性强、成本低廉、具有测量准确、易于扩展的特点。

参考文献：

[1] 张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33（13）：1-11.

[2] 赵凯，龚仁喜. 基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].装备制造技术，2009（8）：127-129.

[3] 深圳市威百仕集成电路有限公司. VIC-SP3SK2 用户手册[M].深圳：2006.

[4] 乐强.WiMAX Mesh 网络技术分析[J].信息安全与通信保密，2012（8）：71-73.endprint