基于ZigBee和嵌入式技术的智能家居系统设计

常赟杰，张位勇，李桂香

（湖南工学院计算机与信息科学学院，湖南衡阳 421002）

基于ZigBee和嵌入式技术的智能家居系统设计

常赟杰，张位勇，李桂香

（湖南工学院计算机与信息科学学院，湖南衡阳 421002）

针对采用PC作为家庭网关可靠性差、体积大、成本高的缺点，提出采用ZigBee和嵌入式技术设计智能家居系统。各传感器节点和家居设备使用CC2420芯片组成家庭内网，网关采用S3C6410芯片搭建。用户可以通过浏览器或者手机客户端远程接入网关，对家居环境和家居设备进行监控。系统具有低成本、低功耗、稳定、体积小的优点，具有良好的实用性和较高的推广价值。

智能家居；ZigBee；CC2420；嵌入式

0 引言

智能家居系统将家用电器和居家设备进行组网，然后部署控制系统，进行智能化的控制。它可以为人们提供安全可靠的安保服务、更加有效的家居设备能耗管理，使人们的生活更加舒适、便利[1-2]。在智能家居组网方案中，ZigBee技术以低成本、低功耗、高灵活性、自组网等优势在智能家居系统中得到了广泛的应用[3-4]。目前已有的智能家居系统设计方案，大都采用使用PC组建家庭网关，这种系统具有成本高、体积大、可靠性差的缺点[5]。本文介绍了一个采用ZigBee传输数据信息和控制信息，采用嵌入式技术设计家庭网关，用户远程连接网关，向居家设备发送指令和控制信息，实现家庭智能化的目的。

1 系统设计方案

智能家居网络的总体框架如图1所示，各个连接ZigBee无线通讯节点的传感器节点和家居设备与Zig-Bee协调器组成了家庭内网。主要节点包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、红外传感器。网关是智能家居系统的核心部分，用户在远程通过智能手机或者浏览器的方式查看家庭环境数据的功能。用户通过智能手机或者浏览器接入网关，远程查看家庭环境数据，并且对家居设备进行控制和监视。若有线网络出现故障，用户可使用4G模块，通过PPP拨号的方式上网接入Internet。当出现红外、烟雾传感器等警报信息时，网关自动通知用户，并且能抓拍图片并传输给用户手机。

2 硬件模块设计

网关的中央处理器采用以ARM1176JZF-S内核，主频533MHz的嵌入式处理器芯片S3C6410。SDRAM芯片采用128MB的DDR内存芯片，NAND Flash芯片存储空间为1GB。4G模块采用SIMTECH公司的SIM7100C，通过USB接口和S3C6410进行通信。网关的摄像头模块采用OV9650模块，该模块使用ITU的RBT-601接口，图像格式为YcbCr4:2:2。其他外围电路包括网络接口芯片DM9000AE，两个RS-232串口、7寸LCD液晶显示屏。整个系统采用5V直流供电，网关使用RS-232接口与ZigBee协调器相连，ZigBee协调器和各个终端组建星型网络结构。网关使用RS-232接口连接协调器，使用RJ-45接口连接网络路由器。

图1 系统总体设计方案

协调器将接收到的传感器数据通过RS-232串口发送给网关。如图2，协调器的主控芯片采用TI公司生产的基于ARM Cortex-M3架构32位MCU LM3S9B96[6]。该处理器最大主频为80 MHz，具有256 Kbyte Flash和96 Kbyte SRAM，集成了10/100MHz以太网接口。协调器的ZigBee模块采用CC2420芯片。CC2420是Chip-con公司生产的0.18um CMOS工艺RF收发芯片，性能稳定且功耗极低，通信可靠，支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。

LM3S9B96和CC2420芯片之间采用SPI连接[7]，如图3所示。CC2420的CSn、SI、SO和SCLK的四根SPI线连接LM3S9B96芯片的相应SPI接口PE1、PH4、PF5和PF4引脚。LM3S9B96通过这四条线对CC2420进行读入或读取配置信息，同时也可以进行数据的发送和接收。CCA管脚用来控制清除通道估计。SFD在发送或者接收完毕后开始帧后置高电平，然后继续发送和接收后面的数据。FIFOP是接收数据包判断，FIFO为数据缓存判断引脚。当RX FIFO中有数据时，FIFO引脚上电平变高，一直到RX FIFO中数据为空时变为低电平。因此，处理器可以通过读取FIFO引脚的电平状态，判断CC2420中是否有接收到的数据。

图2 协调器电路

图3 LM3S9B96和CC2420连接

家庭内网的各种传感器节点采用CC2420芯片加LM3S9B96微控器的方案。每个传感器节点获取的数据先由I/O接口传给LM3S9B96微控器，然后通过SPI接口发送给CC2420，最后由CC2420通过天线将数据发送给协调器。每个模块采用的硬件如下：

（1）温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的数字温湿度传感器芯片SHT11，该芯片内部集成14位A/D转换器，湿度分辨率为0.03%RH（0-100%RH范围），温度分辨率为0.01℃（-40-123.8℃范围），两线数字输出。

（2）烟雾和煤气传感器都采用MQ-2芯片。MQ-2是一种电阻控制型的气敏器件，可以检测氢气、甲烷、液化气和丙烷、一氧化碳、烟雾等气体浓度。本设计采用E-WS标准总线与ZigBee采集节点模块进行数据交换。

（3）红外线传感器采用Melexis公司的MLX90614芯片，该传感器芯片内部集成了红外温度检测芯片和信号调理ASIC，测量距离为10cm左右，采用I2C接口连接微处理器。

（4）物联网灯光控制模块通过继电器连接CC2420芯片，该模块接收ZigBee接收协调器发来的控制信号，控制灯的亮灭。

（5）电动窗帘模块通过接收ZigBee接收协调器发来的控制信号，控制窗帘马达实现相应的动作，完成窗帘的开、关、停止动作。窗帘电机的电压：220V，功率为45W，移动距离为20cm/s，扭矩0.8Nm，承重50Kg。

（6）智能家电控制器通过CC2420芯片连接红外线遥控器，将接收到的协调器发送的控制信号转换为红外指令对空调、电视机、音响和冰箱进行控制。

3 系统测试

根据文中所述，设计和实现如图1所示智能家居系统，其中协调器，温湿度、烟雾、煤气、家电控制器、摄像头以及窗帘控制器组成星型网络。测试结果如下：

协调器上电以后就可以快速组建ZigBee网络，感觉不到延时。所有设备都在同一个房间内，设备之间没有障碍物阻挡，通信距离可达20m。如果设备处于不同房间，门窗全部关闭或者是设置障碍物，则通信距离降低到10m左右，还可能会出现网络断开和丢包的现象。传感器节点掉电重启后可以迅速加入网络。在家庭网络内，网关与协调器连接有几秒钟的延时，连接成功后，协调器可以及时响应控制命令，设备状态信息能正确显示，传感器数据采集正常，如图4所示，视频监控画面正常显示，如图5所示。红外线传感器能正确的探测到有人经过，网关能调用4G模块发送报警短信。

4 结语

本文提出了一个智能家居系统的设计方案，各个传感器节点和家居设备以“CC2420芯片+LM3S9B96处理器”的方式组建家庭内网。网关采用高性能嵌入式处理器S36410构建，用户可以通过浏览器或者手机客户端接入网关，对家居环境和家居设备进行远程监测与控制。本设计采用嵌入式技术组建家庭网关，采用ZigBee技术组建家庭内网，系统具有低成本、低功耗、稳定、体积小和可以长时间连续工作的优点，具有良好的实用性和较高的推广价值。

图4 温湿度采集

图5 视频监控画面

[1]Ameena Saad A l-Sumaiti,Mohammed Hassan Ahmed,Magdy M.A.Salama.Smart Home Activities:A Literature Review[J].Electric Power Components&Systems,2014,42（3-4）：294-305.

[2]Ding D,Cooper R A,Pasquina P F,et al.Sensor Technology for Smart Homes[J].Maturitas,2011,69(2):131-136.

[3]刘欢,刘排,丁涵,等.基于ZigBee技术的智能家居系统内部网络设计[J].电子设计工程,2015,23(14):180-182.

[4]宋玉琴,姬引飞,段俊瑞,等.基于Android和ZigBee的智能家居系统设计[J].西安工程大学学报,2015(4):442-446.

[5]戴建,史志才,吴飞,等.基于三层架构的智能家居系统研究与实现[J].电子测量技术,2016(1):114-118.

[6]LM3S9B96Microcontroller Datasheet[DB/OL].http://www.ti.com/stellaris,2010.

[7]CC2420 Datasheet rev.1.2[DB/OL].http://www.chipcon.com/files/CC2420_Data_Sheet_1_2.pdf,2004.

Design of Smart Hom e System Based on ZigBee and Embedded System

CHANG Yun-jie，ZHANGWei-yong，LIGui-xiang

（Departmentof Computer and Information Science,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421002）

The Home Gateway constructed by PC has disadvantages in reliability,size and price.Proposes the design of smarthome system based on ZigBee and embedded system.Constructs the home networks by sponsor nodes and home appliances which is equipped with CC2420 chips,and builds the home gateway by S3C6410.Users can control and monitoring the remote smart home devices by connecting the gateway through smart phone and browser.This system has the advantages of low cost,low power consumption,stable and reliable,small in size,and it isworth of promoting.

Smart Home;ZigBee;CC2420;Embedded System

1007-1423（2017）12-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.12.019

常赟杰（1980-），男，山东临沂人，硕士，讲师，研究方向为无线传感器网络、ZigBee路由协议

2017-02-09

2017-04-10

湖南省教育厅科学研究项目（No.13C207）、湖南工学院科学研究项目（No.HY13004）

张位勇（1981-），男，湖南衡阳人，硕士，讲师，研究方向为物联网体系结构、软件工程

李桂香（1967-），女，湖南衡阳人，硕士，高级实验师，研究方向为嵌入式系统、物联网应用