基于ZigBee和ARM9的智能家居系统——硬件设计

刘顺财

（福州理工学院 工学院，福建 福州 350014）

随着ARM嵌入式的发展，无线通讯网络技术应用到了嵌入式系统当中，目前比较成熟的无线通讯网络技术包括蓝牙、红外线、RFID、WiFi以及ZigBee等无线技术。而ZigBee无线通信网络作为当前很成熟的技术，在各个领域都具有很广泛的应用。ZigBee无线通信网络技术具有很好的自动组网、安全性、可靠性，在网络节点容量、功耗、成本以及复杂度等方面更有优势［1］。因此，如何把ZigBee无线通信网络应用到嵌入式系统成为了近几年的热门课题。

1 系统的整体设计

系统以CC2530芯片为核心控制器件，通过电路实现路由器、协调器和终端节点的功能。在Z-Stack协议栈的基础上实现温度、光照强度和瓦斯浓度监测，灯光、电器和电动窗帘控制以及通过人体红外监测实现防盗功能。

因为嵌入式系统下具有很好的软硬件可裁的特点，具有很强的灵活性。在ARM9上移植Linux操作系统和MJPG-streamer视频服务器。通过USB摄像头进行视频采集，连接WiFi模块实现联网功能，从而对环境实时监控。

该系统由智能家居系统ARM9网关、ZigBee无线通信网络和Android客户端三部分组成。其中各种类型的家居设备连接到ZigBee无线通信网络，因为不同的传感器可以实现不同的功能，进而实时监控环境。ARM9网关是实现互联网的交通枢纽，它通过串口与ZigBee协调器进行通信。Android客户端通过移动网络或者WiFi与ARM9联网，从而实现Android客户端控制ZigBee终端节点，达到通过Android手机对智能家居进行检测和控制。总体架构如图1所示。

图1 总体架构

2 硬件系统设计

智能家居系统由ZigBee无线通信网络、ARM9网关和Android客户端部分组成，系统框图如图2所示。其中ZigBee无线通信网络有三部分：一个协调器、一个路由器和四个终端节点设备组［2］。各个ZigBee无线通信网络的硬件模块主控芯片是CC2530芯片，终端节点设备通过不同类型的传感器实现对智能家居环境的实时监控，路由器负责数据的转发，协调器与ARM9网关通过串口建立连接；ARM9网关采用S3C2440A处理器作为主控制芯片，在此基础上移植Linux操作系统，通过USB摄像头和WiFi模块实现ARM9网关，实现视频监控功能；通过Android客户端上的应用程序通过网络访问ARM9网关，实现对智能家居的监测和控制。

图2 系统框图

2.1 ZigBee模块硬件

核心电路板CC2530芯片集成了是8051CPU内核。它是ZigBee无线通信网络的核心芯片。它的供电电源是3.3V，可以通过CC2530芯片控制指示灯、RF电路、各种传感器、驱动U2003芯片等。它的硬件电路图如图3所示。

图3 核心CC2530系统电路

ZigBee硬件模块采用CC2530芯片作为核心控制芯片，外围需要电源供电、扩展USB转串口、LED指示灯和RF模块等电路，因为ZigBee终端节点设备要实现智能家居的监测与控制，所以连接不同的传感器模块单元。

CC2530芯片工作电压是直流2～3.6V。通常我们采用5V电源或者USB线进行供电，所以选用REG1117-3.3稳压芯片降压之后再给CC2530芯片供电。此外这边通过J1进行扩展，这样以后别的硬件用到5V或者地可以直接通过这边的插针进行连接。整个电源通过ON开关进行控制。具体电源电路如图4所示：

图4 电源电路图

为了调试、下载程序，需要CC2530芯片和电脑进行通信。而CC2530芯片的串口通信协议电压和USB协议电压不一样，所以需要CH340芯片实现电平转换。USB转串口电路如图5所示：

图5 USB转串口电路

LED指示电路是用来显示当前电路不同的工作状态，与CC2530芯片相连，其中D4是指示电源接通与否，D1、D2是用户自行定义，D3是指示连接ZigBee网络成功与否。电路如图6所示：

图6 LED指示电路

在ZigBee无线通信网络中的需要用到无线天线对数据进行收发，所以天线电路的质量十分重要。它关系到ZigBee无线通信网络中通信距离、通信质量、系统功耗等指标。相比传统天线，SMA接口在上述方面更好更稳定。RF电路设计如图7所示。

图7 RF电路

2.2 传感器模块单元硬件

通过ZigBee组网上的不同传感器模块，可以实现温度、光照强度和瓦斯浓度监测，灯光、电器和电动窗帘控制以及通过人体红外监测实现防盗功能。传感器电路如图8所示。

图8 传感器模块电路

温度传感器选择DS18B20芯片，它可以测量环境中-55°C～+125°C的温度范围。它具有不同位数的分辨率，系统选择默认的12位分辨率，硬件上把它和CC2530芯片的P0.0引脚连接。

系统选择MQ-2芯片作为烟雾传感器，可以有效的检测出液化气、煤气、天然气。它的工作原理是当气体浓度增加时，电导率增大。根据物理公式可知：电阻和电导率成反比，而电压和电阻成正比，所以可以知道电压的大小和气体浓度成反比。电路上采用MQ-2模拟电压输出端和CC2530芯片的P0.6引脚连接。

当在夜间或者家中无人的情况下，为了实时检测屋内的安全，在系统当中搭载了人体红外传感器。选用HC-SR501作为人体红外传感器，达到当检测到有非法进入的人时，发出警报并提醒用户。因为人体会向外产生红外线，而HC-SR501可以检测出红外线，所以它适用于工作在不同的检测人体场合。当它接收到人体红外线后，会对外释放电荷，输出高电平信号。它需要干电池提供电源，具有灵敏度高和稳定性强等优点。电路上采用HC-SR501输出端和CC2530芯片的P0.7引脚连接。

系统选用5516光敏电阻，通过光照强度的强弱，实现控制窗帘的升降。白天光照强度大，需要打开窗帘实现通风换气，当晚上的时候，因为光照强度比较小时候，则关闭窗帘从而让用户休息。因光敏电阻阻值和光照成反比，而电压和电阻成正比，所以通过测量两端的电压大小就可以知道光照强度。电路上采用光敏电阻5516输出端和CC2530芯片的P0.1引脚连接。

选择汇科HK继电器HK4100F-DC5V-SHG来控制家用电器。当智能家居环境发生异常的时（例如住宅起火或者瓦斯泄漏），系统需要启动保护措施，及时的切断家用电器的电源。电路上采用中继电器和CC2530芯片的P0.5引脚连接。

窗帘的升降是通过步进电机来控制的，早上的时候通过步进电机的正转来控制窗帘的打开；晚上的时候通过步进电机的反转来控制窗帘的关闭。系统选用四相步进电机28BYJ-48。它有5根接线，蓝线是D相、粉线是C相、黄线是B相、橙线是A相、红线接5V电源。因为CC2530芯片的驱动电流比较小，所以需要用CC2530芯片的P1.7、P1.6、P1.5、P1.4四个I/O口连接ULN2003芯片进行功率放大［3］，再接28BYJ-48步进电机。其中ULN2003芯片是由7个NPN三极管组成，输入5V电平，输出500mA/50V，正好可以驱动步进电机。电路如图9所示。

图9 ULN2003驱动电路

2.3 系统网关硬件

智能家居ARM9网关采用S3C2440处理器作为核心器件，通过使用USB Host电路和串口电路，连接USB摄像头和WIFI模块实现视频监控和联网的功能。S3C2440处理器有UART0、UART1和UART2三个串口，都是TTL电平。系统把ARM9网关的UART1接收（RXD1）引脚、发送引脚（TXD1）分别与ZigBee协调器串口的发送（TXD）引脚、接收（RXD）引脚相连；实现ARM9网关和ZigBee协调器的串口通信。为了使用方便，采用MAX3232芯片对UART0串口进行电平转换，从而实现USB转串口让ARM9与WiFi模块通信，具体电路如图10所示。

图10 WiFi模块接口电路

系统使用谷客HD10作为摄像头，它支持UVC协议接口。在Linux系统下是免驱动的，最高分辨率640×480，最高可以支持30帧视/每秒的视频图像采集，输出YUV格式的图像。YUV格式是USB Org标准之一。V4L2接口是针对USB摄像头开源的驱动程序［4］，它可以实现USB摄像头进行图像采集。当USB摄像头连接到USB Host接口时，在超级终端中可以看到系统多了一个主设备号是81的/dev/video0设备文件。USB摄像头和S3C2440处理器通过USB Host接口相连接，电路如图11所示。

图11 USB Host接口电路

系统采用无线的WiFi模块［5］进行数据传输的，具有很好的可移动性和组网灵活性，实现联网。系统采用BL-150UA无线网卡，它支持WPA/WPA2加密与64/128位WEP数据加密，采用分离式的天线设计，提供更稳定更强的信号。

3 实验测试与总结

通过实验测试，基于ZigBee和ARM9的智能家居系统可以实现稳定的工作，并且可以准备的实现无线通讯。可以通过安卓手机实现温度、光照强度和瓦斯浓度监测，灯光、电器和电动窗帘控制以及通过人体红外监测实现防盗功能。

本系统由Android客户端、ARM9网关和ZigBee无线通信网络三部分组成的。系统实现实现温度、光照强度和瓦斯浓度监测，灯光、电器和电动窗帘控制以及通过人体红外监测实现防盗功能。最终结果显示，基于ZigBee和ARM9的智能家居系统不仅功耗低且具有很高的稳定性、可靠性；ARM9嵌入式处理器具有软硬件可裁的特点让开发过程具有很高的灵活性；而Android手机系统作为当前主流的操作系统具有很高的普遍性，适合当前的市场环境。