基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计

李泊锋,王亚刚

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计

李泊锋,王亚刚

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要论述了基于ZigBee无线通讯的智能家居控制系统设计,以Android手机为控制中心,ZigBee无线通讯为桥梁,实现一种星型的ZigBee网络在智能家居中的应用。该系统以TI公司的CC2530单片机为主控,通过ZigBee自组网,终端设备将采集到的数据通过Z-stack协议栈,发送到ZigBee协调器,通过串口将数据发送到电脑及手机上并显示出来,实现了对设备的集中管理与控制。测试结果表明,ZigBee组网成功,终端节点能轻易地检测到各子模块连接的传感器信号,并可通过手机控制节点信号。

关键词Android平台;ZigBee技术;CC2530;Z-stack协议栈;智能家居

A Smart Home System Based on ZigBee Wireless Technology

LI Bofeng,WANG Yagang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractA smart home control system design based on ZigBee wireless communication is presented with the Android mobile phone as the center and ZigBee wireless communication as a bridge to form a star ZigBee network for smart homes.CC2530 single-chip of TI is used as the master control,and the terminal equipment collect data through the Z - stack protocol stack through the ZigBee ad-hoc network,which are sent to the ZigBee coordinator and passed via a serial port onto the computer and displayed on a mobile phone,thus realizing the centralized management and control of the equipment.Test results show that the ZigBee networking is successful and that the terminal nodes can easily detect the sensor signal of each module connection and can control node signal by mobile phones.

KeywordsAndroid platform;ZigBee technology;CC2530;Z - stack protocol stack;smart home

智能家居控制系统是一个复杂的控制系统,其是多技术融合的控制系统,也是以住宅为平台,利用自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术等,将家庭生活中相关的各类应用子系统相结合,实现一个智能化、网络化的家居控制,从而使家庭生活更加安全、节能、智能、便利和舒适[1]。

相比普通家居,智能家居不仅具有传统的居住功能,且能提供高效节能、舒适安全,更加人性化的生活体验。例如:窗帘能够通过光敏传感器判断室内的亮度,从而通过执行器来伸缩卷帘;室内温度有变,空调可自动打开或关闭从而使室内温度处于一个恒温状态;各类报警设备也可监控非法闯入住宅、煤气泄漏、火灾等情况,一旦出现意外,这些报警信号最终可传到用户终端手机,同时相关电器自动进入联动应急状态,实现自主防范等。

智能家居需要有无线的控制设备,以前智能家居的控制设备有很多遥控终端,不仅不好管理且使用复杂;而随着物联网和Android技术的不断发展,智能家居也逐渐以手机为控制中心,使用“无线通讯+手机APP”的方式,因这样不仅降低了研发制造成本,且体验感也更好,随着智能手机的不断普及,技术的应用也能更好地满足人们的需求,智能家居的发展速度也越来越快了。

1ZigBee协议

成本低、传输率低、功耗低等短距离的无线通讯长期以来也都一直存在。蓝牙、WiFi由于价格较高,影响了其应用的广泛性。所以,随着无线传感网络的发展和研究,众多新网络标准和协议也被催生出来。ZigBee联盟于2001年成立,ZigBee技术总结起来有以下几个特点:(1)低功耗;(2)成本低;(3)时延短;(4)网络容量大;(5)可靠、安全[2]。

1.1ZigBee协议栈结构

ZigBee协议栈定义了4层结构[3]。如图1所示,IEEE802.15.4-2003标准定义了较低的两层,分别是物理层(PHY)和媒体访问子层(MAC),ZigBee联盟在此基础上,定义了网络层(NWK)和应用层框架。应用层框架由应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)组成。ZigBee协议栈各层完成相应的任务,完成后继续向上一层提供信息与服务,每层之间通过接口的逻辑链路来提供相应的信息与服务[4]。

图1　ZigBee协议栈结构图

1.2ZigBee网络拓扑结构

ZigBee网络层(NWK)支持3种拓扑结构,分别是树型、星型和网络网状型[5]。本文选择使用的星型网络拓扑结构由协调器组建和维护,其他的设备均为终端设备,并直接与协调器一对一通信。

2总体设计

设计以Android手机为控制中心,手机与电脑之间通过WiFi进行数据连接,利用ZigBee无线通讯为桥梁,协调器与各终端设备组成星型的结构进行数据传输。使用者可在自身的手机上安装智能软件界面,然后连接WiFi访问电脑、路由器或其他嵌入式服务器,服务器通过串口向与其连接的协调器发送命令,协调器通过ZigBee无线控制各个子节点,来实现对各类检测装置、控制装置和报警设备的控制,从而实现智能化控制[6]。系统总体设计框图,如图2所示。

图2　系统总体框图

3系统硬件电路

ZigBee模块框图如图3所示。系统主要由ZigBee模块(协调器)、ZigBee模块(终端节点)、PC、Android手机、各类传感器、控制器等部分组成。本系统主要的硬件电路设计为ZigBee模块,本文ZigBee芯片选用TI公司的CC2530F256,这是一款基于2.4 GHz无线收发器,并内部集成了8051内核的专用ZigBee芯片,芯片采用3.3 V供电[7]。

图3　ZigBee模块框图

系统在终端模块配置了气体传感器接口,此系统采用MQ-2气体传感器,这种传感器可以检测多种可燃性气体,是一款适合多种应用的低成本传感器;继电器接口,采用松乐继电器;温湿度传感器接口,采用DHT11数字式温湿度传感器,因为这是一款具有已校准的数字信号输出的温湿度复合传感器,并具有极高的可靠性与稳定性;人体红外接口,选用HC-SR501人体感应模块,其是基于红外线技术的自动控制产品,灵敏度高、可靠性强、超低功耗;光敏传感器接口,采用灵敏型的光敏电阻传感器,然后将采集得到的信息和数据通过Z-stack协议栈和2.4 GHz无线,发送到ZigBee协调器模块[8]。ZigBee协调器获得终端节点的数据后,通过USB转串口的接口将数据发送到电脑上并显示出来。

4系统软件实现

4.1Android手机监控界面

Android手机监控界面如图4所示,其包含了温湿度实时显示、灯光控制按钮、连接状态等信息,其通过设定和更改IP地址,按键发送控制命令,同时允许有多个子节点接入,且能实时显示各子节点信息。

图4　上位机(PC机)监控界面

4.2模块的软件设计

ZigBee网络系统的节点软件采用TI协议栈ZStack-2.3.0-1.4.0。通过协议栈配置的更改,便可将协议栈配置成协调器(Coordinator)、终端(Enddevice)。系统软件设计包括硬件、网络层、任务等的初始化,然后选择OSAL任务,进入系统[9]。ZigBee协议栈流程图,如图5所示。

图5　ZigBee工作流程图

在ZStack协议栈中,首先要进行组网,即调用协议栈中的组网函数,加入网络函数,来实现组网和节点加入,接着发送节点调用协议栈的无线数据发送函数来实现无线数据的发送,然后接收节点调用协议栈的无线数据接收函数来实现无线数据的接收。将任务程序添加到Zstack中,调用过程是:main()→osal_init_system()→osalInitTasks()→SampleApp_Init(),Main函数的初始化工作如图6所示。

图6　Main函数的初始化

系统搭建的硬件电路如图8所示,对继电器、温湿度传感器、光敏、红外感应等模块进行调试,对程序进行优化,在IAR Embedded Workbench V7.51 for 8051的集成开发环境中,开始对程序进行编译和调试。通过SmartRF04 Flash Programmer软件将程序下载到CC2530芯片中[10],光敏、继电器、红外、气体信号通过LED灯的变化判断工作均正常,温湿度值通过安装USB转串口驱动,通过串口助手,将采集来的温湿度值显示,如图7所示。

图7　采集的温湿度值

图8　搭建的硬件电路

5结束语

该设计主要论述了在“互联网+”时代下,物联网、智能家居等正在快速发展,通过“无线通讯+手机App”的方式来设计智能家居,由此不仅降低了研发制造和制造成本,且用户体验感更好。通过测试,该系统可实现以下的功能:ZigBee协调器和ZigBee终端节点可实现无线通信;ZigBee的终端节点能完成气体检测、温湿度检测、人体红外检测、亮度检测、继电器控制等功能;并可在Android手机上安装APP应用软件来控制节点,同时也可在电脑上安装的应用软件来控制,系统能监测到各子模块连接的传感器信号。

参考文献

[1]任丽莎,康冰,闫冬梅.基于ZigBee和Android的智能家居系统设计[J].长春师范学院学报:自然科学版,2013(12):31-35.

[2]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]金纯,罗祖秋,罗凤,等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4]瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[5]李劲,程绍艳,李佳林,等.基于ZigBee技术的无线数据采集网络[J].测控技术,2007,26(8):63-65.

[6]Li B,Yu J.Research and application on the smart home based on component technologies and internet of things[J].Procedia Engineering,2011(15):2087-2092.

[7]陈旭.基于ZigBee的可移动温度采集系统[D].武汉:武汉科技大学,2009.

[8]郁友文,常建.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[9]张涛.基于CC2530的温度监测模块设计与应用[D].南昌:南昌大学,2012.

[10]张拓.无线多点温度采集系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2009.

中图分类号TP273

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-086-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.022

作者简介:李泊锋(1991—),男,硕士研究生。研究方向:嵌入式应用等。王亚刚(1967—),男,博士,教授,硕士生导师。研究方向:复杂多变量辨识等。

收稿日期:2015- 08- 15