基于Zigbee无线网络智能家居系统的设计

李欣

摘要：随着通信行业和科学技术的迅速崛起，我们的生活质量也在不断提高，因此，人们对生活环境的方便、舒适、安全、智能也有了更高的要求。为了打造一个能够对家用电器设备、照明、安防等进行集中控制的平台，便于实现对家庭环境进行监视、检测及远程控制，设计了这个基于Zigbee无线网络智能家居系统。使人们能够享受到智慧家居带来的安逸生活，更便捷、更智能、更安全。

关键词：智能家居;Zigbee;远程控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0158-02

1 系统设计总体方案

该设计是基于Zigbee技术的智能家居控制系统，该系统的核心主控制器使用STM32，由Zigbee模块组成无线传感网络采集数据。Zigbee模块将传感器采集到的室内的温度、湿度、烟雾、光敏等数据通过串口传送给STM32主控制器。CC2530包含两个串行通信接口，USART0和USART1，可以用来完成采集数据的传输。STM32对接收的数据进行处理，然后与设定的值进行对比，然后做出判断，将结果显示在LCD显示屏。处理后的数据再通过Zigbee网络反馈给终端节点，控制家居设备或电气执行所对应的操作。智能家居系统具有本地控制和远程控制两种方式，本地控制是通过LCD显示屏的控制面板来执行相应操作的，远程控制是通过开发的手机APP来进行远程控制。系统总体设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计方案

该智能家居系统采用Zigbee模块组建无线传感网，主控制器选用STM32F103VET6，其他还包括继电器控制模块、光敏传感器模块、电源模块、烟雾传感器检测模块、光敏传感器检测模块等，如图2所示。

2.1 主控制器的硬件设计

STM32的外围电路还包括时钟电路、电源电路、复位电路、看门狗、串口等。

采用嵌入式Web服务器，让用户可以实时的通过网络监控家中状况，所有在本地可以实现的控制都可以通过网页访问来实现。

2.2 无线通信模块的硬件设计

Zigbee模块TI公司设计的无线通信模块，在系统中各个模块可以实现自组网互联互通。在主控制器上的Zigbee模块充当网络协调器的角色，是整个网络的核心核心，负责启动整个网络，并且是网关和路由器节点的联系点。

2.3 终端节点的硬件设计

终端节点处在感知层，需要先和Zigbee模块建立联系，通过Zigbee模块加入到网络中，主要负责采集环境数据以及执行用户传送来的对各种设备控制的指令。

3 系统软件设计方案

3.1 协调器软件设计

整个网络首先要开启无线传感网络系统，启动无线传感网络系统之后建立网络标识等相关信息，然后等待其他节点向自己发送组网请求，等待一段时间后，完成组网。

在Zigbee协议栈进行IEEE数据包存储转发的过程中，都需要经过封装以后才能进行数据包的存储转发操作，需要存储相对应的数据包头部结构进行转发操作，根据Zigbee模块的工作频率来判断Zigbee目前是处于哪种状态，然后对数据进行处理，判断哪些是需要接受到的数据信息，哪些是数据包的头部结构。

3.2 Zigbee终端节点的软件设计

终端节点在网络的对底层，主要负责对智能家居中各种环境信息进行收集。上电以后首先进行初始化，向协调器发出关联请求，通过父节点加入网络后，返回一个段地址，采集数据的时候进入工作模式，空闲的时候进入休眠模式，终端节点通过事件驱动给它派任务，接到任务后开始采集数据或者执行控制指令，实现对具体传感器的操作，采集好数据或者指令执行完成以后再将结果返回到IP网络里。

3.3 应用层APP的设计

在Android应用层程序设计过程中，主要是针对Linux Kernel层、ApplicationFramework层和Application层的设计如图3所示。

在该系统中，根据实际需要，系统的用户有普通用户和管理员等。

在注册模块的设计过程中，只要是符合要求的业务分析用户与一些产品管理人员，都必须要完成注册之后才能够参与到业务分析中，具备对系统拥有一定的权限。

用户通过身份验证成功进入手机应用程序以后，就能从手机应用程序的登录界面跳转到应用程序的主界面上。主界面上包括情境模式设置、安防设置、家用电器控制、窗帘控制、房间切换、安安防系统控制、門禁系统控制等功能。例如当客户在请求登录进行页面控制时，后台会将页面请求连接到后台数据库进行验证，如果是合法用户，就允许其对后台数据库有控制权限，将处理得到的结果反馈到应用程序中，并显示给用户。

具体实现机制：用户单击主界面设置模块，浏览器向服务器发送页面请求，请求调用配置文件，从服务器上得到业务逻辑控制类。应用程序直接调用嵌入式系统中的控制器方法，调用主控管理所需要IP数据包和IEEE数据包封装的网络参数信息和主控管理过程中所需要的数据库基础信息，通过数据库业务逻辑类对主界面设置进行请求、应答及存储，将获取的所有信息存入到具体的数据库表单中。系统将传入的对象信息进行连接到数据库进行检测，并将需要的主控管理信息数据进行有效保存。在保存过程中需要对数据库的存储过程进行检查，符合存储要求的就直接存储到数据库中，不符合存储要求的会直接给出的错误提示信息。用户根据提示可以判断数据存储不成功的原因，对获取的返回值进行预处理，将返回信息传递到应用程序主界面上显示。

4 结语

本文分析了基于Zigbee无线网络智能家居系统的设计方案，划分了系统功能模块和权限用户的角色信息。设计了系统总体架构和框架，使用面向对象的设计理念，设计了智能家居系统各个功能模块的具体功能。使用B/S结构构架，其中设计的包括基础信息模块的管理、登录管理实现、主控方面的信息管理等。