基于ZigBee与XBee的智能家居系统设计及其性能测试

李敏 唐惠玲 张沙清 高京广

摘 要： 设计了一个以ARM与单片机为控制核心，以语音为控制信号，基于ZigBee与XBee两种无线通信技术的室内智能家居控制器的性能比较系统。并对系统在这两种通信方式下的通信距离、功耗以及抗干扰性进行了实验测试与数据对比分析。经实验分析结果表明，XBee无线通信技术通信距离更远，功耗更低，抗干扰性更强。

关键词： ARM； 智能家居； ZigBee； XBee； 无线通信

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）09?0048?05

Abstract： A performance comparison system of indoor smart home controller based on two wireless communication technologies of ZigBee and XBee was designed. It takes ARM and microcontroller as its control core， and voice as its control signal. The experimental test and data contrastive analysis for the communication distance， power consumption and anti?interference ability of the system were conducted under the two communication modes. The experimental analysis results show that the XBee wireless communication technology has farther communication distance， lower power consumption and stronger anti?interference ability.

Keywords： ARM； smart home； ZigBee； XBee； wireless communication

0 引 言

目前国内外的智能家居控制系统大多数采用有线方式，其布线麻烦、控制效率低、维护困难、功能单一。近些年越来越多的智能家居产品开始采用无线控制方式，但由于协议标准不统一、开发难度大等，使其存在稳定性低、成本高、推广难等缺点[1?2]。目前在智能家居领域采用何种无线控制方式，尤其是在室内智能家居领域一直没有明确的答案。

一直以来，国内外科研工作者对智能家居的发展做了大量的工作，这些工作主要归结为以下几点：

（1） 控制器选择的研究。控制器作为系统的“大脑”，它的合理选择不仅关系到系统的功能实现，同时也决定了系统开发的难易程度，如文献[3?4]重点分析了控制器的速度、存储量、开发容易度及I/O口等；

（2） 通信方式的研究。通信方式主要分为远程通信与近距离通信，如文献[5]采用GPS/GPRS技术实现远程监控通信功能，这一技术现已成熟，应用也非常广泛。对于近距离通信，国内外科研工作者也做了大量的工作，文献[6?7]研究表明，采用WiFi技术、蓝牙技术等通信效果较好，但其存在功耗大、传输距离太近等缺陷[8]，不是室内智能家居的最佳选择。近年国内外专家一直致力于近距离通信方式的研发，取得了可喜的成果，如最近兴起的ZigBee技术与XBee技术，此两种技术在诸多领域已有应用，如文献[9?12]成功把ZigBee与XBee技术应用于煤矿数据采集、通信网络的搭建以及智能家居。但ZigBee与XBee技术应用于智能家居系统设计的性能对比，目前还未见相关研究。

本文针对两种新兴的近距离无线通信技术在室内智能家居中的应用问题设计了一个集成ZigBee模块和XBee模块的两种无线通信技术的室内智能家居控制系统，对两种技术的传输距离、功耗和抗干扰能力进行对比实验。

1 系统总体设计

为简化对比实验，硬件系统设计除ZigBee模块和XBee模块不同外，其他电路均采用相同电路，然后分别进行软件编程与调试，最后对重要参数进行实验测量与分析。系统的总体设计框图如图1所示。系统主要通过用户语音进行控制。首先，系统通过信号接收与处理模块对用户语音信号进行接收、识别与处理，并将处理后的信息通过串行通信的方式传输给无线通信模块，并由发射端传送给接收端，接收端同样采用串行通信将信息传输给家电控制模块；家电控制模块主要对发来的指令信息进行解读，从而进行相应的控制操作，实现对家电的智能控制。

2 硬件系统设计

系统的硬件电路设计主要包括信号接收与处理模块、无线通信模块、家电控制模块等，系统的整体功能主要通过各模块功能的相互组合而实现。

2.1 信号接收与处理模块

信号接收与处理模块是实现用户与系统交互的接口，本系统首先采用语音识别模块，对用户发出的语音指令进行识别与初步处理，然后通过单片机STC10F04XE对语音识别模块输出的数据进行读取和进一步处理，最终传输给无线通信模块发射端进行发送。

2.2 无线通信模块

本设计主要是对两种无线通信方式在室内智能家居应用中的性能进行对比研究，所以本系统在硬件设计时同时采用了两种通信模块，ZigBee模块与XBee模块。目前国内生产ZigBee模块的厂家比较多，大致功能与效果相似，本文主要采用TI公司CC2530 芯片为核心的ZigBee模块。XBee模块是采用DIGI旗下MaxStream公司生产的无线通信模块，它是一款超小型、低功耗，但功能完善的无线通信收发器。

两无线通信模块都自带软件开发包，可直接实现点对点无线通信，但都需提前对模块的收发端进行匹配，才能实现正常数据通信。由于单片机的引脚电压为5 V，而两种通信模块的引脚电压为3.3 V，故模块与单片机连接时，本设计采用光电隔离。两模块均进行串行数据通信，其发射部分电路连接图如图2所示，[VCC]为5 V电压，通过AMS1117转换为3.3 V电压，给无线通信模块供电，同时利用一个单刀双掷开关控制各无线通信模块的电源输入，方便无线通信模块单个测试。由于模块接收端和发送端与微控制器的电路设计相似，所以只展示单片机与两模块发射端相连部分的电路图。

2.3 家电控制模块

家电控制模块主要由控制器模块、控制电路、显示模块、电源模块等组成，其结构示意图如图3所示。家电控制模块在工作过程中，主要由无线通信模块接收端传入的信息而触发，通过ARM读取接收端的信息，而产生相应的家电控制信号，家电控制信号再通过控制电路执行对家电工作模式的设置，同时利用显示模块对家电的运行状态进行实时显示。下面分别对各个模块进行详细地介绍。

2.3.1 控制器模块

本模块采用ARM作为主控芯片，是采用意法半导体公司推出的STM32F103RB。ARM主要负责对无线通信模块接收端信息的读取、处理与转换，同时通过控制电路与液晶显示电路实现对家电运行状态的实时控制与显示。

2.3.2 控制电路

该电路主要由二极管、三极管、继电器等组成。二极管反向并联在继电器上，主要负责抑制与吸收继电器在开启或关断瞬间产生的反向电动势，从而对继电器起到保护作用。三极管通过集电极与发射极与继电器串联，基极则连接ARM的I/O口，ARM通过基极控制三极管的导通与截止，从而控制继电器直流通路的通与断，实现继电器通路的切换。继电器采用5 V直流控制220 V交流的单刀双掷继电器，继电器的常开端与公共端直接与家电电源电路串联。

2.3.3 电源与显示模块

电源模块主要为无线接收模块、ARM、显示模块、控制电路等提供所需电压。其主要由集成开关芯片MC34063，LM2596及AMS1117等构成。显示模块主要是对电器的运行状态进行实时显示，方便用户监控。

3 系统软件设计

由于两无线通信模块都自带软件开发包，所以在分别使用两模块时，其软件设计流程基本相同。本设计的软件系统主要包括三个部分：语音信号采集与处理、数据通信、家电控制。

语音信号采集与处理程序主要负责对语音命令循环采集、比较与处理；数据通信程序是利用无线通信模块对数据进行完整的点对点无线传输；家电控制程序则是通过读取通信模块接收端的信息，完成相应的家电控制职责。下面逐一对各个程序进行详细介绍。

3.1 语音信号采集与处理程序

语音信号采集与处理程序流程图如图4所示。上电后，首先初始化语音信号采集模块，若有语音信号，则对语音信号采集模块采集到的数据与预设的功能数据群进行逐一比较，判断是否有相等数据，若有相等数据则调用信号发射子程序，否则返回，重新等待语音命令。预设的功能数据群是语音采集模块对各家电控制命令解读而产生的理论数据。

3.2 数据通信程序

数据通信程序主要由发射与接收两部分组成。本设计采用两种无线通信模块，但采用相同的程序设计思路，其通信程序流程图如图5所示。发射部分上电后首先进行初始化，再判断发射、接收是否能正常通信，通过信号指示灯判别。对数据存储单元中由语音信息采集与处理程序得到的数据进行读取与发送，由LED灯闪烁进行指示。接收部分，首先初始化，同样判断是否通信正常，正常则进入接收状态，然后利用LED灯指示是否接收数据，最后将数据传送给ARM数据存储单元。

3.3 家电控制程序

家电控制程序主要是通过ARM对各个用电器的运行状态进行实时控制与显示。程序流程图如图6所示，首先初始化LCD显示界面，然后读取存储单元中的数据，从而控制相应的家电，并且通过LCD进行实时显示，方便用户观察。

4 系统性能对比测试

无线通信模块在室内智能家居控制系统应用中主要有三个重要参数：

（1） 通信距离，由于室内有墙壁阻隔以及其他各种家用物品障碍物，通信距离的性能指标直接决定系统的可执行性；

（2） 抗干扰性，由于本设计主要应用于室内，所以抗干扰能力也是一个重要指标，直接影响系统的精准性，其干扰因素主要来源于墙壁阻隔干扰；

（3） 通信模块的功耗，现如今大多数通信模块属于低功耗，很多产品采用电池供电，所以通信模块消耗功率是一个衡量性能的重要指标。

这需针对这三个参数设计相应的实验方案，进行对比实验。

4.1 距离与抗干扰性测试

为考量无线通信方式在室内智能家居系统中的应用，对这两种无线通信方式进行室内（存在墙壁阻隔）与楼道（直线可视）两种环境下通信距离的测试，并且在空旷的室外也进行了测量。因为墙壁阻隔是影响通信距离与造成干扰的主要因素，所以距离与抗干扰性测试同时进行。抗干扰性能测试主要是系统在这两种通信方式下，通过穿透墙壁的数量进行对比分析，从而判断哪种通信方式抗干扰性更强，稳定性更高。图7为ZigBee模块接收效果图，接收端模块收发正常时信号指示灯由闪变为常亮，随着距离的增加，到达一定距离后信号收发性能变弱，指示灯变闪，最终指示灯变灭，达到最远通信距离。XBee模块效果图与其类似。

室内通信距离测试主要进行水平通信距离与垂直通信距离测试。水平通信距离即测试在室内同楼层间穿墙通信距离，垂直通信距离则是在不同楼层间进行通信距离测量。本设计选择房间宽度约为5 m，楼层高度约为3 m的建筑进行测试，经测试得出ZigBee水平通信距离大约为10 m，穿越一间房两堵墙，垂直通信距离约为10 m，穿越一层楼两块天花板。XBee水平通信距离约20 m，穿越三间房六堵墙，垂直通信距离同样约20 m，穿越六层楼七块天花板。两者在室内通信距离测试中，水平通信距离与垂直通信距离效果相似。

楼道通信距离测试，本设计楼道选择宽度约为1.5 m，楼道一侧为建筑本身，另一侧比较空旷，障碍物少，直线可视，符合大多数室内结构设计，经测试得出ZigBee楼道通信距离约为65 m，XBee楼道通信距离约为100 m。

室外通信距离测试，主要选择在比较空旷的室外进行测量，此参数方便用户安装智能路灯、室外监控设备等器件。经实验测试可知，ZigBee室外通信距离约为100 m，XBee室外通信距离大于200 m，都适用于不同需求的室外智能控制。

通信距离测试数据对照表如表1所示，由测试数据对比可知，XBee模块不管是在室内、楼道、还是在室外都比ZigBee模块通信距离远，并且由室内通信测试可知，XBee模块穿透的墙壁数量更多。综上可知，室内通信距离远、穿透力强，代表此通信方式抗干扰性强，在相同范围内进行通信时稳定性更高；楼道中的通信距离也同样说明上述优点；室外通信距离，说明用户可在更远的范围内安装所需的智能设备，更加满足用户的需求。

4.2 功耗测试

由于本设计除通信模块不同外，其余均采用相同电路，所以系统的功耗测试差异就为无线通信模块功耗的差异。利用变频电源器给发射部分提供稳定的输入，再通过智能电参数测量仪对发射部分电路工作时所需功率进行测量，如图8所示，图中仪器上有四个测试参数，左上代表市电输入，右上代表电流输入，左下为PF值，右下代表输入功率。图8（a）为ZigBee模块单独工作，系统无其他外围电路工作时，由变频电源提供稳定220 V市电，再通过电源转换器转换为5 V输入，ZigBee模块发射端所需的功率及电流参数。图8（b）为XBee模块通过相同的方式测出的所需电流与功率参数。

由图8中的测试数据可知，采用ZigBee模块的发射部分工作时所需功率为0.94 W，而采用XBee模块只需0.69 W，从所需功耗参数比较可得，XBee模块功耗更低，若采用电池，其使用寿命更长，更适用于室内智能家居。

5 结 论

本文设计了一个基于ZigBee技术与XBee技术的智能家居控制系统，并进行性能对比分析。经测试数据分析结果表明：应用XBee无线通信技术在室内、楼道、室外，其通信距离更远；XBee无线通信技术抗干扰性更强，更适用于存在诸多墙壁、家电等干扰的室内家居应用；在相同条件下，应用XBee无线通信模块功耗更低，若采用电池供电，其使用寿命更长。所以，XBee无线通信技术更加适用于室内家居智能控制系统，具有较高的实际应用价值。

参考文献

[1] 刘婵媛.基于物联网的智能家居系统研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2012.

[2] 童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010（9）：16?20.

[3] 严海洋.基于ARM的智能家居系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[4] 姚现伟.基于STM32的智能家居红外控制系统研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

[5] 朱立彬.基于GPRS智能家居远程网络监控系统的研究[D].太原：中北大学，2013.

[6] 刘永富.基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学，2011.

[7] 孟令许.基于S3C2440A的ZigBee+WiFi的智能家居控制系统[D].成都：成都理工大学，2012.

[8] 金家红，方旭，杨碧峰，等.家庭物联网技术在智能家居系统的应用[J].现代电子技术，2013，36（10）：56?58.

[9] 贾运红.基于XBee_Pro煤矿无线数据采集装置研究[J].煤矿机械，2014（11）：235?237.

[10] 郭航宇，周凤星.基于XBee?Pro模块组建的ZigBee网络的实际应用[J].信息技术，2011（10）：193?195.

[11] LIAN K Y， HSIAO S J， SUNG W T. Intelligent multi?sensor control system based on innovative technology integration via ZigBee and Wi?Fi networks [J]. Journal of network & compu?ter applications， 2013， 36（2）： 756?767.

[12] LIM S P， YEAP G H. Centralised smart home control system via XBee transceivers [C]// Proceedings of 2011 IEEE Colloquium on Humanities， Science and Engineering. Penang： IEEE， 2011： 327?330.

[13] 肖振锋，袁荣湘，邓翔天.基于XBee与GPRS/GSM的智能抄表系统[J].电力系统，2013，32（5）：34?39.