基于CC2530与ZigBee技术智能家居硬件系统的设计

许 晨，张 勇

(宿州职业技术学院 机电工程系，安徽 宿州 234000)

随着科学技术的飞速发展，智能家居已经逐步走进万千家庭。无论业主在何时何地，都能控制家居中电器、仪器的工作。智能家居是利用网络、传感器、物联网等技术，在住宅中集成与生活相关的电器设备，构建综合管理系统，打造舒适、便利、安全、节能、环保的家居环境。在智能家居系统的研发上，欧美国家一直处于前列。在我国，虽然智能家居的研究起步较晚，但发展潜力巨大，相信不久后，智能家居一定可以普及到寻常百姓家。

本文结合ZigBee技术，充分运用CC2530强大的组网功能，利用CC2530芯片实现控制服务器与设备间的数据传输和控制，提出智能家居中的环境监测方案，并设计检测其功能。

1 CC2530与ZigBee的相关技术

1.1 CC2530芯片

CC2530 是真正片上系统(SoC)的解决方案，它可以应用于2.4-GHz IEEE 802.15.4协议和ZigBee上。能以极低的成本建立起强大的网络节点。除了拥有先进的RF性能、8051MCU核心、超低功耗的通信外，CC2530还配置了专用的网络协议栈，组网便捷。本文以CC2530为基础构建家居环境检测系统。

1.1.1 CPU 和内存 CC2530的中央处理模块为8051(单周期)。包含SFR总线、DATA总线和CODE/XDATA总线，以单周期进行访问。它包括一个可执行指令的调试接口，18 Input的中断单元。内存仲裁器在系统的中心，它通过SFR总线，把CPU、DMA 控制器、物理存储器与外设相连。8-KB的SRAM映射到DATA存储与部分XDATA存储中。32/64/128/256 KB闪存执行程序的存储器，以及映射(CODE和XDATA)。

1.1.2 外设 CC2530的外设有5通道的DMA，用于数据的传输。一个专用定时器(遵守IEEE 802.15.4 MAC协议)，三个通用定时器(16位的定时器与两个8位的定时器)，一个用于实时计算数值的睡眠定时器[1]。调试接口用于电路的控制与调试。输入输出控制器用于控制和配置引脚。ADC用于采集外部电压与操作转换程序。AES协处理器用于安全控制与加密。USART是用于串行通信数据的收发，可以进行全双工操作。五端口的USB控制器用于处理数据的传输，执行相关协议的指令。

1.2 Zigbee技术

ZigBee是一种新型的通信协议，它具有传输距离短、功耗低、数据传输速率低的特点。该协议有五层，自下而上分别是物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)，处于最底的两层遵守IEEE 802.15.4标准[2]。

ZigBee的特点与网络拓扑结构如下：

(1)功耗小。由于ZigBee 技术的数据传输速率低、数据量小，在信号的传输中耗时很短；在低耗电待机情况下，ZigBee节点省电、功耗小。

(2)低速率。ZigBee 工作在10kbps-250kbps的通信速率间。

(3)安全可靠。ZigBee拥有完整的CSMA-CA机制，能保证安全地传输数据。

(4)传输距离短。ZigBee 技术的有效范围在10～100 m之间。

(5)兼容性。ZigBee可与现有的网络标准无缝对接，协议简单，兼容性高。

ZigBee的典型网络分为星型, 树型还有网状型。由终端节点、路由器节点和协调器节点自由组合。

2 硬件系统设计

2.1 家居环境监测系统的结构

家居环境监测系统包含两块内容。一是中央控制器通过ZigBee与设备相连。因CC2530模块的特性，处于末端ZigBee节点可以随时扩展，组网高效便捷。二是中央控制器与手机、Internet连通，用户可以通过电脑、手机查看家居状况[3]。

家居环境监测系统是使用手机或计算机通过中控发送查看与操作命令，这些命令使用ZigBee网发送到终端模块，终端模块根据命令执行操作，如此反复循环。系统的终端模块包含温湿度的检测、空气质量的检测、可燃气体的检测，它们相互独立，用户数据通过ZigBee网络汇集到中央控制器，方便查看与操作。

2.2 电源模块设计

系统中的Zigbee节点都稳定地供电。CC2530的工作电压为3.3V，外围三个模块都需要3～5 V的电源。由于每个模块是可以共地的，并且使用同一电源。在综合考虑下，选择使用LM2596，它具有优良的电路保护、过载限制。在设计电路时它需要极少的外围器件，提供的有：3.3V、5V、12V及可调电压。在本文中使用的是9V电池供电，电源模块使用9V的电池输入，通过LM2596输出5V电压,和 3.3V电压[4]。

2.3 温湿度检测模块设计

温湿度传感器的型号多种多样，但由于DHT11在灵敏度与价格上有其自身的优势，因此选用DHT11组建温湿度检测模块。DHT11传感器具有先进的温湿度传感技术，使用8位单片机与感湿模块、测温模块相连接，为4Pin单排引脚封装[5]。每个DHT11传感器都进行过极为精确的校准，精确参数储存写入内存,在分析检测信号时把获取的实时数据与校准参数对比。传感器传输距离超过20m。

该传感器的工作电压为3.0～5.5 V，可以与CC2530共用电源，大大地简化了温度传感器的外围电路模块的设计。DHT11在数据线长度小于20 m时用5K的上拉电阻。

传感器通信过程中，DHT11日常工作在低速状态，待接收到MCU发送工作信号后,DHT11立即切换到高速的模式。当主机发送的信号结束后, DHT11发送响应的信号, 发出40bit的采集信息, 并触发一次数据的采集, 所有数据可供用户读取[6]。

2.4 空气质量检测模块设计

伴随着空气的污染，有必要对住房内的空气质量进行实时检测，同时若发生火灾，产生浓烟等，也需要警报，因此进行空气质量检测模块设计。

MQ135传感器对有害气体(NH3 、多硫化物、苯、烟雾)的检测灵敏度较高。MQ135传感器检测气敏物质是二氧化锡，它在洁净的空气中的电导率较低。当把传感器置于有害气体中时，二氧化锡的电导率会增大，有害气体浓度越高其导电率越大，随即可将电导率的变化转换为输出信号[7]，从而得到空气质量的检测反馈。见图1。

2.5 可燃气体检测模块

随着建筑业的发展，家庭首选天然气安装在厨卫间，在它使用便捷的同时也具有一定的安全隐患。MQ-5与MQ-135虽同为MQ系列气体传感器，但其功能上存在一定的差异，因此选用MQ-5气敏传感器，它对城市煤气、天然气的检测灵敏度较高。该传感器含气敏材料，传感器的引脚用于提取信号和加热气敏材料。同MQ135相同，通过调整可变电阻RP来控制TTL输出，直至输出到可识别状态[8]。

MQ-5传感器的检测范围较宽，因此需要预设报警值。如果环境中有害气体浓度超过一定的量，传感器就会发出警报。考虑到用户对家居环境的安全性较敏感，因此预设报警值为350ppm，此时气敏电阻在33K左右[9]。

图1 MQ135空气质量检测传感器原理图

3 硬件测试工作

3.1 电源模块的测试

将9V电源与LM2596的输入端连接，把万用表打到20V的测量档，而后测量LM2596的输出端电压。经过测试，与实际需求对比，此电源模块可以满足系统需要。

3.2 温湿度检测模块的测试

图2 DHT11检测数据图

将5V的电源与DHT11相连，地端接GND，将CC2530接入，使用电吹风机对DHT11探测口持续喷上热气。为了更好的显示实时温湿度参数，加入OLED显示屏显示。

测试表明，DHT11传感器的工作状态良好，配合OLED显示屏，能够实时地显示当前温湿度。当DHT11未接入时，温湿度显示数据为空。当接入DHT11时，能够显示当前室内的温湿度，如图2。当用电吹风机对DHT11探测口持续喷上热气时，显示屏的数据有显著的变化。

3.3 空气质量检测模块的测试

(1)将5V的电源与MQ135相连，将A、B的信号线连接Vcc端，地端接GND。将CC2530的状态检测端口接入，当模块有低电平信号的时候，该端电平也是为低电平。当模块输出高电平的时候，传感器模块信号的电平电压为5V[10]。

(2)连接好各端口后，使用串口助手，设定好参数，开启电源。在显示器显示Zigbee联网完毕的状态后，打开一瓶白酒，待传感器的预热完毕后，由远及近放置到传感器周围，发送检测指令，检测出不同的数据。

测试表明，随着酒瓶瓶口的靠近，传感器反馈的数值有增大的趋势，如此反复测试三遍，查看反馈到串口的数据。通过酒精测试，得出M135空气质量检测传感器能很好地胜任家居环境的检测工作(使用丁烷测试也可以达到同样的反馈效果)。

3.4 可燃气体检测模块的测试

对MQ-5传感器有害气体检测模块进行测试，预设报警值为350ppm。

(1)连接MQ-5传感器与5V电源，连接好相关端口。连接Zigbee与计算机的USB接口，给Zigbee节点接上3.3V的电源(与模块的电源共地)。

(2)开启串口调试助手，设定好参数，开启电源。计算机显示Zigbee组网成功的状态后。使用打火机对着可燃气体传感器喷气，可燃性气体浓度达到临界值后，模块的便会发出报警信号，如此反复测试三遍，查看反馈到串口的数据，数据有逐渐增大的趋势。

测试表明，当室内有害气体浓度达到350ppm时，MQ-5可燃气体检测模块便自动报警，并传输数据给节点。

4 结语

本文通过分析行业发展情况和调研市场，设计了家居环境检测系统的硬件部分。系统以CC2530为通信核心，以各个控制模块为终端节点，利用CC2530芯片实现控制与数据传输，完成了智能家居中的环境监测解决方案，设计各元器件的电源转换模块，设计温度监控功能，设计空气质量检测功能，设计可燃气体检测功能。实验证明，该系统能灵敏的获取温度、湿度、有害气体检测的实时数据，完成对家居环境的伺服检测。伴随着技术发展，这一研究将会使得家居生活更加便捷、美好。

[1] 赵 森.基于ZigBee的安全消息传输的研究[D].郑州大学，2013.

[2] 曾 论，张 铮，陶兴鹏，等.基于CC2530的室内定位系统设计与实现[J].湖北工业大学学报，2015, (1)：80-84.

[3] 邓 昀,李朝庆,程小辉.基于物联网的智能家居远程无线监控系统设[J].计算机应用，2017, 37(1)：79-82.

[4] 陈邦泽,杨晓波.智能家居室内温度远程优化控制仿真研究[J].计算机仿真，2016, 33(12)：47-54.

[5] 辛海亮,钟佩思,朱绍琦,等.基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J].电子技术应用，2013, 39(12)：98-102.

[6] 姚国风.基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].现代电子技术，2016, 39(22)：83-85.

[7] 徐朋豪，冯玉光，奚文骏，等.基于ZigBee的无线温湿度采集系统研究[J].国外电子测量技术，2016(1)：33-36.

[8] 陈克涛，张海辉，张永猛，等. 基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2014, 05：183-188.

[9] 张同翰，王正彦，袁 双，等. 基于CC2530的ZigBee的智能家居设计[J].工业控制计算机，2015, (4)：75-76+78.

[10] 许嫣然.基于无线传感器网络的温室集群管控平台构建研究[D].南京农业大学，2015.