基于ZigBee技术的智能家居设计

张宁

摘 要 本设计是基于ZigBee技术的无线智能家居网络系统，以家庭网关系统为核心，采用32位ARM处理器，数据转发器采用无线收发模块CC2430，组成一个具有路由功能的无线网状网络。用户可通过PC机或智能手机能实现家居环境温湿度检测、窗帘门禁控制、安防报警控制、家居设备远程控制等功能。

关键词 智能家居 ZigBee 家庭网关 CC2430 远程控制

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A

1智能家居的国内外现状及发展趋势

随着社会的快速发展，越来越多的智能化、人性化、自动化的科技产品服务于人们的生活，智能家居已经走进了我们生活。美国在这方面处于国际领先地位，如微软开发的“梦幻之家”等智能系统。

2000年以来我国开始意识到智能小区建设的重要性，逐渐步入智能家居领域，涉及灯光窗帘控制、室内多媒体娱乐、设备安防报警、家居环境监测等方面。但是智能家居设备产品多为有线组网，它的布线设计、连接串口和扩展性能等诸多方面存在很多问题，而无线通信灵活性、使用方便特性和无需布线等，因此很受市场青睐，这表明了无线通信技术是智能家居发展的最终趋势。

2 ZigBee协议体系结构

ZigBee协议的体系结构包括4层，即物理层、MAC层、网络层、应用层。物理层主要功能：负责ZigBee无线发射机的激活、关闭；检测当前信道的能量；接收链路服务质量信息指示（LQI）等。

MAC层包括数据服务和管理服务。数据服务：保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发。MAC层管理服务：维护存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

网络层是ZigBee协议体系核心部分，其主要功能：组建网络路由、实现路由查找及传送数据，接收、抛弃其它的节点等。

ZigBee应用层包含ZigBee设备对象（ADO）、应用支持子层（APS）和技术相关设备制造商定义的应用对象。应用支持层APS用于维持绑定表，根据需求，在绑定的设备之间实现信息互传。

3 智能家居设计系统硬件构成

3.1 系统硬件总体设计思路

本设计智能家居硬件部分主要包括五个部分系统模块：S3C2440主控制器模块、无线射频收发模块、温湿度采集模块、门窗安防模块和GPRS模块。用户可通过GPRS模块上的RS232接口与控制终端连接使用，监控家庭中的各种设备工作。

3.2 智能家居系统硬件服务器

3.2.1 家庭网关

家庭网关是该家庭网络系统的核心设备，其主要功能：连接家居无线网络与外部公共网络连接口，实现两个网络数据信息的交互功能。本设计采用32位ARM处理器S3C2440，其具有2个通道SPI，3个通道UART，4个通道DMA控制器，LCD控制器，还具有MMU虚拟存储器单元等，可用于支持多种主流式嵌入系统[4]。

3.2.2 无线通信收发模块

本设计采用系统芯片CC2430的COMS解决方案，ZigBee无线射频收发器集成在CC2430上。ZigBee无线射频前端CC2430模块，是一款低功耗、低成本、高性价比的射频模块，还可满足ZigBee技术的2.4GHz ISM 波段的应用。

3.2.3 温湿度传感器节点

本设计采用SHT10温湿度传感器构建ZigBee传输温湿度检测节点。SHT10是一种数字式集成温湿度传感器，具有抗干扰能力强，成本低，体积小，适合家居室内温湿度采集。

4智能家居网络软件设计

4.1 ZigBee协调器与网关模块软件设计

本系统的ZigBee协调器主要用于建立无线网络，分配监控ZigBee节点的网络地址，向监控节点发送控制命令和接收来自监控节点的环境信息和安防信息，并将接收到的数据全部上传至ARM9微处理器S3C2440，最后通过移动网络以短信的方式传送到远端的用户端。

4.2 ZigBee终端节点程序

ZigBee终端节点是指ZigBee协调器控制的无线ZigBee节点，首先ZigBee终端节点的初始化，接着尝试加入ZigBee网络。加入网络成功后，ZigBee终端节点将其注册信息发送至ZigBee协调器，ZigBee协调器完成对ZigBee终端节点的注册。ZigBee终端节点每隔一定时间采集一次环境信息，并将该数据信息上传至ZigBee协调器。如果安防信息检测模块检测到有可燃气体泄漏或盗贼入侵，ZigBee终端节点则直接进入中断处理流程，将警报信息上传至智能家居控制器，实现告知用户并启动声光报警装置。

5 总结

本设计是采用将ZigBee技术与嵌入式ARM技术结合起来，通过在家居环境下模拟测试，进行有效地网络信息数据交互通信，本设计系统主要特点有：

（1）采用无线网络设计，结合嵌入式开发Web服务器的引用，使得用户使用起来更加方便，更加人性化。

（2）功能强大，系统可外扩其他功能，可由用户的家居环境的网关IP地址、家电数目、家电具体情况来具体定制。

（3）用户可把家中多台家电都连入到网络中，接受家庭网关的检测和监控。同时，控制终端设备也可在扩展，可把家中PC机、多台移动手机、平板电脑等设备设置接入网络中。

参考文献

[1] 李文仲，段朝玉.2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2] Murphy，S.甜蜜的智能家居[J].电了技术应用，2012（03）：9-10.

[3] 冯凯，童世华.智能家居的由来及其发展趋势[J].中国新技术新产品，2010（06）：7

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

[5] 周武斌，罗大庸.路由协议的研究[J].计算机工程与科学，2009，31（6）：12-14.

[6] 孙戈，卢建军，高理.基于S3C2440的嵌入式Linux开发实例[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010（5）.

[7] 吕建华.基于PDA的智能家居控制系统的设计和实现[D].北京：北京工业大学，2010（3）.

[8] 汪玉凤，冯泽中.基于S3C2440A和ZigBee技术的智能家居系统[J].微计算机信息，2010（29）.