基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现分析

曹树伟

（赤峰学院物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

0 引言

随着人类对计算机网络技术的开发与运用，我们的日常生活中越来越多的运用到了计算机网络技术，尤其是近年来将计算机网络技术广泛的运用于智能家居，使得我们的家居生活变得更方便，更快捷，实现了生活智能化。智能家居的运用主要表现在利用，有线网络与无线网络平台通信技术，结合室内家居的综合布线系统、安全防范系统、音频视频系统、灯光窗帘控制系统以及家电控制系统，将所有室内的家电家具设备进行统一信息化管理，从而为我们的日常生活中的家具提供更安全、更便捷、更节能、更高效的运用[1-2]。

1 智能家居基本模块介绍

1.1 智能家居中央控制管理系统

智能家居中央控制管理系统相当于室内家居的综合体的大脑，主要负责对室内不同家具的各项功能与模块进行控制，在合理操控各项家居的功能板块，还能对不同家具之间的功能进行协调配合工作，可以使全套家具的运用效果更完美。中央控制管理系统是一种，运行在PC端或者嵌入式主机的软件系统，用户通过该系统可以对智能家居进行全方位的管理。例如通过该系统的交互功能可以实时查询室内家居的运行状况并进行调节，同时用户还可以根据自己对相应家具的使用习惯进行模式预设。对家里的智能空调进行预设，可以让家庭室内温度达到20℃以上时自动开启空调智能系统，维持室内平均温度[3-4]。

1.2 家庭网络系统

将ZigBee无线传感网络运用于智能家居中最重要的一个体现就是家庭网络系统的设置，运用ZigBee无线传感技术将各项家居设备作为网络链接节点，可以实时传送家居的当前运行状态，同时接收中央控制管理系统发出的控制指令。所以通过家庭网络系统，使得中央控制系统、无线传感网络、智能家居三大主体部分成为一个有机的整体，以实现全方位统一管理。[5]

1.3 家庭安全防控系统

家庭安全防控系统配备有特定的传感器，通过ZigBee传感器，可以对家庭室内的空气温湿度，空气组成成分以及含量，监控区域的视频音频信息按照预先设报警模式进行安全报警。

1.4 音频视频采集系统

随着计算机网络技术的发展，对于室内智能家居的控制，除了传统的红外遥控以外，现在的控制技术变得越来越智能化，例如声音识别技术、人脸识别技、图像识别技术纷纷运用于对智能家居的控制，而这些技术的运用全部归结为音频视频采集系统的强大功能。

2 基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计

2.1 ZigBee技术

“ZigBee”按照英文翻译称之为“紫峰”，其命名灵感来源于蜜蜂的舞蹈，代指可以全方位的实现信息传递。在实际运用过程中运用ZigBee技术，需要按照无线电标准，可以将多个性能可靠的传感器组进行网络通信构建，达到对信息节点全面掌握的要求。基于ZigBee技术的网络具有通信功耗低、通信效率高、成本经济良好、网络节点多、安全性能显著等特点，市场潜在优势巨大。在实际运用的过程中最主要的是注意在868MHz、2.4GHz及915MHz三个不同频段所对应的20kbit/s、40kbit/s及20kbit/s三个传输效率[6]。

2.2 智能家居无线传感网络技术

对智能家居进行控制的ZigBee无线传感网络是由设置在室内的多个传感器节点组成，然后将ZigBee无线技术运用于这些传感器节点，使其构成功能全面的自组织网络，主要功能包括感知、采集和处理室内环境的相应感知对象信息，例如室内温度的信息感知、采集与处理，光线强度信息的感知、采集与处理。最后将得到的所有信息输送到智能家居网关，然后通过互联网或者GPS功能将信息传达到智能系统所在的PC端或者手机，以智能家居系统控制管理界面的形式将所有信息呈现到用户眼前。常用的智能家居传感系统通常有无线传感器、智能家居网关和智能终端PC端或是智能手机三大部分组成，具体结构如图1所示：

图1 智能家居传感系统Fig.1 Intelligent Home Sensing system

2.3 ZigBee无线传感器网络的智能家居系统设计

(1)基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统在设计时核心部分是设备控制器，合理有效的对设备控制器进行设计能够为网络组建与设备的管理控制起到促进作用[7]。

(2)网络数据传输是整套智能系统的运行环境，合理的设计路由协议能够有效的节约网络能耗。基于ZigBee无线传感网络系统设计时，既要注重功能的完善，又要能够完成开关控制的功能。

(3)在对网络协调器节点设计时，选用的ZigBee无线模块芯片主要运用CC2420芯片，运用该芯片使得数据传输率能够达到250kbps，可以有效的实现点对面的组网。[8]

(4)在通信设计方面，CC2420访问FIFO缓存区有两个寄存器――RXFIFO寄存器和TXFIFO寄存器，分别用来访问接收和发送 FIFO 缓冲区。无线通信的程序是通过系统初始化以及数据的发送和接收几个重要功能组成。

(5)微处理器模块的设计。基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统设计中所用到的芯片为无线收发芯片，数据以及控制信号的传输载体采用的是sp2总线，所以要选用sp a总线微处理器。

2.4 终端节点软件流程设计

在本系统设计过程中，所设计的采集节点主要功能是采集家庭环境的相关数据并发送到协调节点，同时接收与处理监测网络中发送过来的控制指令。控制节点的主要作用就是接收控制命令，对智能设备进行命令操控，主要运用RF消息接收功能进行通讯。要使终端节点能够准确的接收操控信息，完成相关的指令，就必须在ZigBee网络通信功能以及设备操作功能之间建立命令传输链接，即在应用程序与网络通信功能之间建立的接口。

3 基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统的实现分析

智能家居监控系统整体功能的实现才是设计的初衷，本节在实验室内，通过设计的硬件平台和软件系统，对系统的整体性能进行验证，系将协调器节点和监控终端节点按照分布于室内，对系统PC 客户端和手机客户端的功能进行测试。通过界面空调控制按钮可以对室内空调温度进行控制，通过台灯控按钮对台灯的亮度进行控制，还能点击超智能按钮，根据自己的生活习惯，设定参数，让系统自主的为用户服务，通过测试验证了PC 客户端的功能。进一步对终端监控节点的功耗进行测试与计算，估算出了节点的工作寿命，为降低系统功耗提供参考依据；最后在室内对系统整体功能进行测试，包括PC 客户端和手机客户端的功能测试，验证了基于ZigBee网络的整个智能家居监控系统功能的可实现性。

4 结论

针对当前智能家居系统建设对于用户侧通信的需求，该方案可使智能家居系统获得可靠的本地通信，对于智能家居系统的建设与发展具有重要意义。