基于ZigBee的智能家居控制系统

辛钰博 尹航

摘要：为了实现对家居智能化控制，使用ARM Cortex-A8硬件平台，以 ZigBee 无线传感器网络技术为基础，提出了一种智能家居模拟系统。该次提出的智能家居控制系统包括安全防盗系统、智能门禁系统、窗帘控制系统以及对可燃气体泄漏的监测和居室内外温度的检测，通过短信把屋内信息实时反馈给用户，可以实现及时发现家居隐患以及简单的安防。此系统秉承了无线传感器网络低功耗、低成本、分布式和自组织的优点，其灵活性和可靠性得到了提高，也方便用户进行无线和远程监测控制。该系统能够完成对家居的一般性智能控制。

关键词：ARM Cortex-A8；ZigBee无线传感器网络；智能家居系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）24-5785-03

如今，利用无线网络构建智能家居网已经成为势不可挡的发展趋势，其关键技术为兼容性强的家庭控制器和满足信息传输需要的家庭网络[1]。该文设计了一个物联网智能家居系统，以高性能的、低功耗的中央控制器为核心，结合多种物联网无线组网及控制技术，对系统中的家居，家电单元进行监视和控制。系统实现了防盗的门禁控制、窗帘智能控制、监测可燃气体是否泄漏和居室内外温度变化的监测等功能，并支持以短信方式与用户进行交互，在智能家居领域中实现构建、监控、安防、遥控等功能的原理和实施细节。

1 系统组成与硬件框架

1.1系统总体方案

总体方案如图1所示，智能家居系统的控制中心，是支持整个系统工作的中心，支配着整个系统的运作。由它给协调器发送命令，并由协调器通过无线网络传给终端，协调器和终端之间是ZigBee网络通信，ZigBee网络遵循IEEE802.15.4规范，具有高效经济的特点，功耗和复杂度都非常低[2]。在智能家居中，许多电器都不是固定的，因此，采用无线组建的家庭网络更加适应于智能家居系统[3]。终端收到由协调器传来的信息后控制外部相应的传感器等，他们时刻都在等待接收的信息，一旦接受了信息便马上执行相应操作。协调器是终端和控制中心的信息传递员，由它实现了在终端和控制中心之间的双向无线通信。

1.2硬件框架

系统的硬件框架如图2所示。框架图中勾勒出了系统大体硬件结构。全部系统网络的边界是由节点1、节点2以及节点3构成的，是以TI公司的CC2530开发板[4]为核心，外部连接了各种传感器，人体红外监测模块（采集安防数据），门禁模块（读卡器和数字电子控制锁）和控制器件等。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系统，支持IEEE802.15.4标准，其内部集成了一个抗干扰性和灵敏度都较高的RF收发器和一个标准增强型8051微处理器，拥有2个USART、12位的ADC和21个通用GPIO等较丰富的外设接口，并且支持4种供电模式，能够友好地支持低功耗无线通信[5]。节点使用了温湿度传感器DHT11以及可燃气体检测传感器MQ-2，；人体红外监测模块用于检测人体红外线的释放，获得的数据用于安防系统；门禁的读卡器用于读取ID卡来识别身份；数字电子控制锁是基于门禁读卡器上的，需要鉴别用户ID卡上的信息；器件直流减速电机用于窗帘智能控制。协调器负责控制中心和节点之间的信息传递，也是CC2530开发板，各个节点采集到的数据是通过无线传输得到的，彼此之间的数据通讯遵循的是ZigBee协议。控制中心（ARM Cortex-A8） ，主要是综合和控制信息，是整个系统的大脑。

2 软件设计

2.1控制中心ARM Cortex-A8的软件设计

系统开始并初始化，进入系统界面，协调器若传来数据，则进行UART1的BUFFER[num]==‘a？的判断，接收完数据后进行UART1的BUFFER[num]==‘b？的判断，接收到数据后判断ID卡号，若和已存的卡号相同则开锁，若和火灾警报号码相同则立即触发报警系统；后若有GSM数据发送，则接收数据，若为呼叫本机，则判断是否接听，通话后结束；进入主菜单后便可选择语音通话、温度查看、时间设置、门禁设置、火灾设置、闹钟定制等功能，选择不同的功能会完成相应的操作；时间若到达设置的早晚闹钟时间，则可进行开关窗帘的选择操作，最终结束。

2.2协调器软件设计

系统开始并初始化，建立网路，指示灯闪烁后若收到数据则接收，后结束。

2.3终端节点软件设计

2.3.1 终端节点1（火灾系统模块）的软件设计

系统开始并初始化，设置节点ID、无线通讯信道、无线通信短地址后切换到公共信道，设置发射功率并加入到网络，MAC层进行通讯处理，定时采样DHT11发送的数据以及MQ-2的返回状态并定时发送温湿度值，若MQ-2返回低电平，则定时发送温湿度值，后结束。

2.3.2 终端节点2（门禁系统模块）的软件设计

前期工作同节点1，采样数据后，定时发送温湿度值，若室内门禁开关按下且读卡通过，则开锁，后结束。

2.3.3 终端节点3（自动窗帘系统模块）的软件设计

前期工作同节点1，采样数据后，定时发送温湿度值，若收到开/关窗帘命令，则控制直流减速电机开关窗帘，后结束。

3 系统测试

ARM Cortex-A8测试：将编写好的程序烧入主控制板，然后检测每各个管脚的电压，将其它的模块与它相连来测试是否正常工作。

ZigBee节点测试：除了检测各个管脚的电压之外，将点对点的通信程序下载到CC2530开发板中，然后检测它发送和接收数据是否是否正常。

智能门禁系统测试：1） 门禁读卡器：在给读卡器供电后之后，将读卡器的数据线接入同CC2530开发板的普通I/O口上，在刷卡之后，会将该卡的ID号序列通过UART将其显示在PC机上。2） 门禁锁：用直流电源给门禁锁供电，然后用CC2530的I/O口上的高低电平通过控制电磁继电器来选通门禁锁的工作电流。3） 人体红外：将在给人体红外模块供电之后，将其数据线接在示波器上，如果它检测到人体辐射的红外线时，示波器原来显示的低电平会变成高电平。

自动窗帘系统测试：1） 温湿度传感器：在给温湿度传感器供电之后，将其数据线接入CC2530的I/O口上，通过UART将其所采集的温度和湿度的数据显示在PC机上。2） 人体红外：将在给人体红外模块供电之后，将其数据线接在示波器上，如果它检测到人体辐的红外线时，示波器原来显示的低电平会变成高电平。3） 直流减速电机：将直流减速电机两端接在L298的输出引脚上，用CC2530开发板的普通I/O口上的高低电平来控制L298的使能端，从而来控制电机的正反转以达到窗帘的闭合。在给电机定时，当时间到了之后，电机就会自行转动来闭合窗帘。

可燃气体泄漏检测：①温湿度传感器DHT11：在给温湿度传感器供电之后，将其数据线接入CC2530开发板的普通I/O口上，通过串口调试工具将其所采集的温度和湿度的数据显示在PC机上。②MQ-2传感器：在给其供电之后，将其数据线接在示波器上，然后将打火机里面的液化气释放在该传感器的周围，当达到一定浓度后，示波器原来显示的高电平会降低。

液晶屏测试：本系统使用的液晶屏是DM12864M，它能显示32个汉字。将其与主控制芯片ARM Cortex-A8连接，字母可以让液晶屏直接显示，但是汉字和符号则需要控制其字形码表才能正确的显示。

4 结论

本次设计的基于ZigBee的智能家居控制系统使用ARM Cortex-A8平台，利用ZigBee节点作为基础，进行无线通信，实现了数据的无线传送。而且充分利用了ZigBee技术的低成本，低功耗，稳定度高等优点。该智能家居控制系统的主要功能包括数据无线通信，对家居设备的自动控制和家庭安全防范等方面。我们采用的设备都是以低成本，低功耗，稳定性好等为前提的。本次设计的系统完成了智能门禁，自动窗帘和可燃气体（火灾）检测，闹钟定制以及短信报警等功能。测试表明，该系统满足一般家居的控制要求，可靠性高，成本低。

参考文献：

[1] 侯俊，吴成东，袁中甲，等.基于ZigBee的智能家居安全监控系统研究[J].机电工程，2009，26（1）：67-70.

[2] 纪金水.基于ZigBee无线传感器网络技术的系统设计[J].计算机工程与设计，2007，28（2）：404-408.

[3] 郭稳涛，何怡刚智能家居远程监控系统的研究与设计[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2109-2112.

[4] 霍庆，黄兴，黄浩扬，等.基于ZigBee技术的智能家居控制系统的设计[J].电子世界，2014（6）：107-109.

[5] 辛海亮，钟佩思，朱绍琦，等.基于ZigBee的物联网家居控制系统[J].电子技术应用，2013，39（12）：79-82.