基于ZigBee的智能家居环境舒适度控制系统

李洪璠 刘柏峰 薛志兴

摘  要：利用短距离无线通信技术ZigBee，以S3C2410微处理器作为核心主控制器搭建一个智能家居系统。主控制器在智能家居系统中充当着一个强大功能的家庭网管的角色，以CC2430芯片作为无线收发模块，通过一台PC机接入Internet，实现了室内温湿度，光线亮度及空气清洁度等控制。智能家居系统移动性好，省去大量的电缆连线，扩容便捷，提高了室内环境舒适度。

关键词：智能家居;环境舒适度;ZigBee

中图分类号：TU855 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）05-0033-02

1 概述

在信息时代下，生活方式的不断变革，安全而又舒适的家居环境越来越受到人们的关注，信息与家居的结合正是智能家居，智能家居的出现，使人们对家居环境舒适度的要求越来越高。本文设计的智能家居目的在于提供一个舒适的智能家居环境，利用智能家居网络控制室内温湿度、光照度及空气的清洁度。即对家居环境进行精密的智能监测与控制，使人们的家居环境变得更加信息化和智能化。

2 系统设计

智能家居系统由主机（主控制器）和单机（终端节点）两部分构成，两者分工明确，主机主要负责进行数据运算和给出逻辑命令[1];单机主要负责进行数据的采集和传输以及逻辑命令的执行。

2.1 主控制器设计

主控制器是整个智能家居系统的核心，它通过无线收发模块CC2430ZigBee与智能家居中的温湿度终端节点、光照终端节点、空气清洁度终端节点共同组网，进行数据汇集，通过接入 Internet 建立外部通信，实现室内外部网络和室内网络间协议转化的功能，从而实现系统功能。主控制器结构框图如图1所示。

结构框图中对自身没有以太网接口的S3C2410微处理器，需要在以太网芯片CS8900 连接到处理器的总线的情况下才能完成。要完成对ZigBee终端节点的终端设备的操作就要在智能家居主控制器上架设Web服务器，利用CGI接口调用后台CGI程序，连接Web服务器与具体的控制程序[2]。把主控制器接入外网，通过一台接有Internet的PC机，输入主控制器的网址，即可实现远程对各个终端设备的运行情况进行监控。

2.2 终端节点设计

终端节点设计主要分温湿度控制节点、光线控制节点、光线控制节点三部分，可以实现室内温湿度、光线和空气清洁度等环境舒适度控制。下图2所示ZigBee 终端节点是由无线通信模块、处理器模块、电源模块、传感器等几个部分构成。电源控制模块是ZigBee终端模块运行必不可少的，为系统提供合适的能量。室内安装的光照传感器、温湿度传感器和气体传感器采集的光线、温湿度、空气质量等相关数据，通过CC2430中无线通信模块终端节点把数据传送给主控制器，同时接收主控制器发出的控制命令，对受控设备空调（风扇）、窗帘、换气设备进行控制和调节。

3 系统硬件电路设计

3.1 温湿度硬件电路设计

温度和湿度是居室生活舒适度最基本要求，温湿度硬件电路主要由无线收发模块CC2430，温湿度传感器，红外发射模块，电源模块和调试接口五大部分构成。温湿度控制过程即通过温湿度传感器采集室内温度、湿度数据，通过室内无线网络将采集的数据传输给主控制器，主控制器把接收的数据进行比较和分析，用分析和比较的结果去控制传输量，对温度和湿度的控制节点加以控制，通过红外发射模块控制节点的空调设备的控制命令来设定温度，加热，加湿，除湿等功能，进而对室内的温度和湿度进行有效地控制。

3.2 光线控制硬件电路设计

室内的光线主要来自自然光与灯光。智能家居灯光控制自然光的合理利用十分重要，通过在自然光线的采集方法打开窗帘的情况下达到室内照明的要求，启动灯光控制。

灯光控制系统在本设计中是在自动模式下工作，根据设定的各种普通场景的时间发送给主控制器，根据一天内不同时间段光线强度不同，系统将自动切换到现场，控制相应的场景。利用室内移动探测器，以检测室内照明光传感器是否收集数据，光照明控制节点数据和移动检测数据发送到智能家居的主控制器，通过无线网络，根据窗帘紧闭程度和室内光线对应的光发送命令的主要控制，提出了一种柔软，舒适的照明场景，使用户可以很好的放松和休息。在晚上，窗帘自动关闭命令控制发送数据，照明和运动检测数据，智能家居系统反馈给主控制器，通过移动探头数据来确定是否是室内的主控制器，然后发送一个调光命令的节点，它可以自动提供室内光线充足，无人值守灯自动关闭。每一个不同的场景默认灯光设置，用户还能够利用改变自己的设置手动控制开关来来实现客户可能想要照亮的场景。

整个系统是根据客户的需要进行个性化的设计，还能够根据喜好进行调整。自动关灯的无人区通过自然光的合理使用，同时达到节能的作用。

3.3 空气清洁度控制硬件电路设计

设计的空气清洁度控制系统，是把室内的空气清洁度作为一个整体。在室内安装的气体传感器，把采集室内的气体浓度信号转换成电信号，传送给CC2430，进行A/D模数转换，再通过终端节点把空气质量数据送到主控制器。主控制器对终端节点发送过来的数据和合格的空气质量数据进行比较和分析后，建立了接收数据，发送控制命令，控制节点的空气清新度，节点通过打开或关闭通风设备，调整室内空气清新度。不会对用户的生活环境中自动通风产生不利的影响，充分清洁室内的空气，在任何时间，客户的室内空气是卫生的，新鲜的。

4 系统软件设计

系统软件设计是实现主控制器和以太网通信、ZigBee协调器和各个终端节点通信、节点控制设备三大功能。下面仅给出主控制器和終端节点软件设计过程。

4.1 主控制器软件设计思路

设计主控制器的软件是在Linux操作系统的基础之上的， ZigBee协议栈，Web服务器，应用程序都应该是包含在内的。在还没有开发平台的Linux操作系统的时候，最先要负责引导程序Bootloader。Bootloader是在操作程序执行的操作系统内核的一小部分，选择VIVI Bootloader，VIVI源代码经过编译环境生成的二进制图像文件，刻录到Flash开发平台通过JTAG。Linux操作系统，包括Linux内核的移植和文件系统的移植，Linux内核的移植来自维持。该应用程序是基于CGI技术，Web服务器可执行程序。主制器的应用程序（CGI程序）可以通过系统的ZigBee协议驱动程序服务访问[2]。

4.2 终端节点软件设计思路

设计终端节点的软件采用模块化设计。各功能节点之间是相互独立的，互不干扰，同时，温湿度节点、光照节点、空气清新度节点都由主控制器控制，且进行数据传输，要是两个节点进行通信，首先将数据发送到主控制器，对彼此的主机控制器转发。各功能节点的具体设计的过程是，通过PC机编写程序，修改源代码，借助IAR软件协议栈，编译和链接，生成二进制文件，利用烧写工具把程序写到目标板的二进制文件，编写相应的函数节点[2]。每个功能节点程序实现之后，再通过主控制器的控制，对每个节点的控制相应的功能就实现了。

5 结束语

由主控制器和终端节点组成的环境舒适度控制系统利用ZigBee无线通信模块对传感器采集的数据进行读取，通过智能家居无线网络与主控制器模块进行无线通信[3]，把数据传送给主控制器，并接收主控制器的控制命令，实现对室内光照度、温湿度、空气清洁度的控制。该系统结构简单，稳定性好、能有效改善家居环境的舒适性。

参考文献：

[1]彭银桥，吴吉.ZigBee技术的智能家居控制系统[J].电子技术与软件工程，2018（08）：43-44.

[2]杨利亚.基于ZigBee的无线传感器网络在智能家居系统中的应用[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010.

[3]藏恒星，章国宝，朱叶盛.基于CC2530的智能家居ZigBee模块设计[J].工业控制计算机，2016，29（02）：29-30.