基于CC2530和ZigBee技术智能家居系统的设计与研究

张 毅, 徐菲菲, 雷景生, 刘大明

(上海电力学院 计算机科学与技术学院, 上海 200090)

基于CC2530和ZigBee技术智能家居系统的设计与研究

张 毅, 徐菲菲, 雷景生, 刘大明

(上海电力学院 计算机科学与技术学院, 上海 200090)

为了提升用户的体验度,实时掌握各类用电设备的状态,设计了融合ZigBee和WiFi无线技术的智能家居系统.该系统采用CC2530为核心板,外接RF无线射频收发器和继电器,结合电能计量芯片RN8209和温湿度传感器DHT11,借助IAR集成环境,实现了PC端和手机端的并发访问.实验结果表明,系统性能良好,通讯稳定,通讯可靠距离可达50 m,具有很强的实用价值.

用户体验度; ZigBee技术; DHT11温湿度传感器; 智能家居

随着计算机技术、控制技术和无线传感器网络的快速发展,以及人们物质生活水平的不断提高,人们的生活、工作与信息的联系日益密切,可以说信息化社会正在逐步转变人们的生活方式,同时,这也对传统的住宅提出了挑战,因此智能家居便应运而生了[1-3].然而,为了更好地服务用户,提升用户体验,需要提供体积小、精度高的电能信息检测模块.目前,国内大多数家庭和企业使用的是单相度或电子式电能表,其处理能力有限,可操作性差,存储信息少,只能读出用电量总和,无法对各种用电设备的能耗信息进行区分,无法对某一个特定的用电设备进行用电分析[4-5].

以无线传感网络为核心的物联网的发展为电能监测提供了一种新方法.ZigBee技术是一种短距离、低功耗、低成本的无线网络技术,具有非常高的通信效率[6-10].为实现ZigBee技术在智能家居领域的应用,本文提出了一种基于ZigBee技术和CC2530的智能家居系统的设计方案,实现了对环境信息和电能信息的采集、传输、存储与判断,可自动切断发生故障的用电设备[11-12],很好地弥补了前述电能表的缺点,同时用户可以实时地知晓各类用电设备的用电信息,给用户提供更好的生活体验.

1 系统总体设计与分析

采用无线传感网络的智能家居系统由硬件部分和软件部分组成.其中,硬件部分包括无线传感器节点、树莓派网关和管理设备组成,管理设备可以使用PC机或智能手机;软件部分由大数据平台、数据库管理系统、网页服务系统及移动端应用程序等组成.网络采用星型拓扑结构,其系统结构如图1所示.

图1 智能家居系统网络体系构架

从整个网络功能来看,终端节点与用电设备直接相连,采集温度、湿度、电压、电流、功率等信息;路由节点视网络的规模而定,转发信息;协调节点用于组建整个网络,并向网关发送信息;系统网关主要完成串口读取,以及ZigBee协议与TCP/IP协议的转换,然后将数据存入数据库或发送到云端存储等功能.管理员可以通过Web平台或者Android平台来查询和访问用电信息.

2 系统硬件电路设计

智能家居系统的硬件设计包括MCU微处理器、电源模块、传感器、RN8209电能计量模块、RS232串口通信等,以构建完整的硬件平台.

2.1 CC2530片上系统

ZigBee无线传感网络特有的近距离、低复杂、自组织等技术优势使其成为智能家居系统的最佳选择.其片上系统(System on a Chip,SoC)解决方案以美国德州仪器TI公司CC2530芯片为典型代表;CC2530芯片适用于2.4 GHz,IEEE 802.15.4,ZigBee与RF4CE应用的第二代SoC片上系统CMOS解决方案.它能以很少的元器件来建成一个强大的网络,并且使用8051CPU内核,配备256 kB Rash闪存记忆体;可与ZigBee协议栈相结合,提供一个强大、完整的ZigBee解决方案,以及RF射频相关功能模块.

2.2 ZigBee节点的硬件设计与实现

终端节点中集成了CC2530芯片、RN8209电能计量芯片及DHT11温湿度传感器等.MCU主要用于对环境参数进行数据处理、逻辑判断和智能分析.终端节点总体设计原理如图2所示.

图2 终端节点总体设计原理

2.2.1 CC2530外围电路设计

在智能家居系统的硬件平台中,CC2530的外围电路是主体,包括晶体振荡电路、RF射频电路、电源电路、滤波电路、传感器电路、RS232通信电路等.其中,晶振包括2个内部RC晶振,2个外部石英晶振,12位ADC负责转换传感器模块采集的环境参数信息;RF无线射频实现ZigBee无线数据收发;滤波电路与电源模块一起工作,以提高CC2530内部电压的稳定性.

2.2.2 电源模块设计

由于节点主要面向室内用电设备,所以设计用AC 220 V/50 Hz交流供电,然而硬件电路中需要输出DC3.3 V和DC5 V.

电流通过变压器和二极管整流后,进入7805三端稳压集成电路,输出直流5 V,再经过三端稳压芯片SP1117-3.3提供3.3 V电压输出.电源模块实物如图3所示.

图3 电源模块实物示意

2.2.3 DHT11温湿度采集模块设计

温度和湿度传感器是采集系统的重要组成部分.采用DHT11数字式温湿度传感器,其供电直流电压为3.3～5.5 V,测量精度为:湿度±5%,温度±2 ℃.

DHT11通过单总线与微处理器通讯,只需要一根线,一次传输40位数据,高位先出,低位后出,并含有8 bit的校验位,保证数据的正确性.DHT11的工作流程如图4所示.

图4 DHT11工作流程

由图4可知,每一次主机获得的数据总是DHT11上一次采集的数据,因此为了得到实时的数据,主机需要连续给DHT11发送两次信号.

2.2.4 RN8209电能采集模块设计

电能信息由RN8209芯片采集和计算,RN8209具有测量有功功率、有功能量、电压、电流等基本功能,并且扩展了串行接口UART,与CC2530通信更方便.

在交流电路中,除了P=UI外,还有一个反映电压、电流相位差的余弦,即功率因数cosφ,故RN8209提供测量的方法如下.

(1) 电流有效值 取每一个工频周期内同步采样次数为N,则电流有效值Id的计算公式为:

(1)

式中:i(t)——t时刻电流的瞬时值;k——采样序号.

(2) 电压有效值 取每一个工频周期内同步采样次数为N,则电压有效值Ud的计算公式为:

(2)

式中:u(t)——t时刻电流的瞬时值.

(3) 有功功率 采用积分算法,有功功率Pd的计算公式为:

(3)

2.2.5 RS232串口通讯模块设计

RS232串口通信模块是ZigBee无线传感网络中的协调器网关节点与云平台双向通信的桥梁.串口通信模块的TXD和RXD管脚分别用来发送和接收数据,读取实时采集到的光照度、温度、电流电压等数据信息.

2.3 树莓派网关的硬件设计

网关是实现家庭外部网络(Internet和WiFi)与家庭内部控制网络(ZigBee)之间连接的重要设备,其既要有ZigBee网络的协调器功能,还需要具备TCP/IP通讯功能.采用2代B型树莓派网关,它是基于ARM的微型电脑主板,两个USB接口和一个网口,拥有GPIO硬件模块,并支持无线网卡,可以利用远程网络进行控制.

3 系统软件设计

实现智能家居不仅需要硬件环境,还需要软件环境,其中一部分是软件的开发环境IAR Embedded Workbench,具有高度优化的IAR AVR C/C++交叉编译器、强大的调试器、工程管理器,是最完整的专业嵌入式系统开发工具;另一部分是ZigBee协议栈,采用TI的Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0.系统软件设计主要包括终端节点设计、协调器设计和网关程序设计.

3.1 协调器节点软件设计

协调器节点主要有两个任务:一是上电时建立网络并允许其他节点加入该网络;二是能够接收终端节点发送来的数据,并将这些信息通过串口发送给网关.协调器的工作流程如图5所示.

图5 协调器工作流程

3.2 终端节点软件设计

终端节点主要负责信息的采集,包括温度、湿度、光照度,以及电压、电流、功率等信息,并将这些信息发送给协调器.为了节约电能,终端节点并非一直处于工作状态,当没有进行数据的接收和发送时,节点处于休眠状态,以降低系统的功耗.终端节点的工作流程如图6所示.

图6 终端节点工作流程

3.3 网关节点软件设计

根据设计要求,该网关既能运行TCP/IP协议,又能运行ZigBee协议.位于树莓派最底层的是硬件的驱动程序,在HAL层之上是硬件抽象层,它为上层ubuntu操作系统提供虚拟的硬件平台.在操作系统层上面是ZigBee协议栈和TCP/IP协议栈,其中ZigBee协议栈采用TI的Z-Stack协议栈.应用程序向网络发起请求,数据以TCP/IP协议发给远程客户端,从而上传数据库或进行分析.

4 实验结果与分析

将ZigBee技术与无线传感器网络有机结合组建而成的智能家居系统,不仅体现出现代家居环境的人性化、信息化,而且用户还可以通过移动设备控制各种家电的工作状态,实现对家庭网络的遥控操作,为用户提供更加舒适的生活和工作环境.

4.1 无线传输质量检测

作为Z-stack协议栈的精简版本,Basic RF由TI公司提供,包含了IEEE标准的数据包收发.测试地点选在开阔的操场,因其干扰相对较小,节点发射和接收天线的增益均为3 dB.之后选择在室内,考虑到房间的大小,只测到了30 m.测试结果如表1所示.

表1 传输距离检测结果

注:RSSI—接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator).

4.2 系统总体测试

该智能家居系统采用星型拓扑,终端节点与用电设备相连,采集信息;树莓派网关主要完成读取串口,以及ZigBee协议与TCP/IP协议的转换,然后将数据存入数据库或发送到云端存储等功能.系统总体结构如图7所示.

为了测试所设计的传感器节点的有效性,现测试如下:

(1) 通过CC Debugger,即片上仿真调试器,将Coordinator和EndDevice程序烧录到协调器节点和终端节点;

(2) 给协调器节点上点,组建网络;

(3) 终端节点连接用电设备并上电;

(4) 打开串口调试助手接收数据.

传输结果如表2所示.由于采集的时间仅为4 s,故传输结果几乎相同.

图7 系统总体结构

序 号温度/℃湿度/%光照/lux电压/V电流/mA功率/W电量/kWh1253220223.9624.714.110.00252253220223.9624.714.110.00253253220223.9624.714.110.0025

5 结 语

本文基于CC2530芯片,结合ZigBee协议栈,利用树莓派作网关,设计了智能家居系统,并对系统进行了实际验证.结果表明,本系统是切实可行的,可以满足实用需要,达到了对家居环境的智能监控和自动控制效果,能增加住户的安全感,提高人们的生活质量,并能对发生异常的用电设备进行自动切除.但本文对采集到的数据信息只是备份到了云端,并未对数据信息进行分析、挖掘,因此在以后的研究中,可以利用云计算、数据挖掘等技术,提供更好的生活体验.

[1] 邵鹏飞,王喆,张宝儒.面向移动互联网的智能家居系统研究[J].计算机测量与控制,2012,20(2):474-476.

[2] 张小威.ZigBee电路设计及在智能家居中的应用[D].南京:南京邮电大学,2013.

[3] 李宇,王卫星,陈润泽.基于ZigBee的物联网智能家居系统[J].电子测试,2016(5):71-75.

[4] 蔡利婷,陈平华,罗彬,等.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展,2012(11):197-200.

[5] 章伟聪,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011,20(7):184-187.

[6] 杨玮,吕科,张栋,等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报,2010,26(3):198-202.

[7] 许东,操文元,孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用,2013,33(S2):17-20.

[8] 刘慧,王鸣.基于CC2530的温度监测系统设计[J].工业控制计算机,2012,25(4):49-50.

[9] 潘伟,黄东.基于Zigbee技术的无线传感网络研究[J].计算机技术与发展,2008,18(9):244-247.

[10] 刘志斌,雷景生,杜海舟.基于TinyOS的用电监测无线传感器节点设计[J].上海电力学院学报,2015,31(1):68-72.

[11] 成小良,邓志东,董志然.基于无线通信和计算特征分析的能耗模型[J].计算机研究与发展,2009,46(12):1 985-1 993.

[12] 彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术,2011,34(5):49-51.

(编辑 胡小萍)

Design and Research of the Smart Home System Based on CC2530 and ZigBee Wireless Technology

ZHANG Yi, XU Feifei, LEI Jingsheng, LIU Daming

(SchoolofComputerScienceandTechnology,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to enhance the user experience,real-time control of various types of electrical appliances,the integration of ZigBee and WiFi wireless technology for Smart Home System is designed.The system uses CC2530 as core board,external RF radio frequency transceiver and the relay are also utilized,in combination with energy metering IC RN8209 and sensor DHT11,and with IAR integrated environment.The concurrent access PC and mobile phone are achieved.The actual test shows that the system is good in performance and the communication is reliable at the same time,with the communication distance of up to 50 meters and strong practical value.

user experience; ZigBee technology; DHT11 temperature and moisture sensor; smart home

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.016

2016-09-05

张毅(1989-),男,在读硕士,江苏徐州人.主要研究方向为无线传感器网络技术.E-mail:yizhang0126@126.com.

TP18

A

1006-4729(2017)02-0191-05