基于ZigBee技术的智能家居系统研发

刘雅琴 任舒婷 迟方辰 孙堂正

摘 要：文中提出基于ZigBee网络传输技术的智能家居系统的方案设计，利用ZigBee无线通信技术实现主控的易操作、低功耗以及系统稳定的目标。ZigBee终端节点设备通过使用多种类型的传感器模块单元，再运用Z-Stack协议完成组网，实现了智能语音识别、灯光控制、瓦斯浓度监测以及GMS短信警报功能。最终，对ZigBee的通信距离及稳定性进行测试，实现了预期设计目标。

关键词：ZigBee技术;无线网络;智能家居;Z-Stack协议;语音识别;安防系统

中图分类号：TP309文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

随着科技日新月异，人们对住宅的要求也越来越高。一套温暖舒适、稳定可靠且兼具科技感的多功能智能家居系统往往会受到人们的青睐。随着移动互联网和智能手机的普及，智能家居的无线通信网络技术也更吸引人们的注意力。ZigBee技术是一种双向互通无线通信技术，其技术方案介于蓝牙技术和无线标记技术之间，广泛应用于简单、低速、距离短、能耗少、成本低的电气信息设备间的数据交换传递[1]。其在低数据速率无线网络应用方面前景可观。

目前智能家居处于蓬勃发展期，多数的产品满足了人们的大部分需求，但是还存在一些不足，如缺乏统一的标准、价格昂贵、 操作复杂。燃气的检测与报警处理是家庭安全防范的重要组成部分，同时随着手机和人机交互的快速发展，人性化的设备越来越受到市场欢迎。分析了现有智能家居控制系统的发展现状，对比调研多种网络通信技术的特点，提出了一种可行的智能家居控制系统方案。该方案设计的网络硬件载体选用的是TI公司生产的CC2530，相应搭配语音识别模块的核心芯片是IC Route公司生产的LCD3320。GSM警报模块的核心芯片是SIM800A，其通信接口兼容各种单片机，可直接与硬件连接进行调试。此系统实现了智能语音识别、家庭中灯光控制、瓦斯浓度监测以及GMS短信警报功能，省去用户不合理布线带来的影响，也不存在自行安装损坏产品、调试产品耽误时间等缺点。

1 系统结构

ZigBee技术有点类似于CDMA和GSM网络，可以进行双向的无线通信，一般使用于距离近、功耗要求低和安全性高的无线网络通信中[2]。星型拓扑结构采用了以ZigBee协调器为中心的网络结构，所有的设备要传输信息都需要通过协调器来进行[3]。此结构容易搭建，且适用于节点数目少、中距离无线传输信息的家居系统。

本设计中智能家居系统结构如图1所示。该系统由三个部分组成：ZigBee无线传感网络、智能终端及协调控制端。系统内部由ZigBee 星型网络组成，终端上的语音识别模块和可燃气体传感器的状态信息在ZigBee网络中自由传输。 当用户下达语音控制命令时，由语音识别模块识别用户的命令并将信息通过ZigBee网络传送给协调器，而协调器对LED设备进行控制，完成打开灯光、调节灯光亮度等操作。而在家庭无人的情况下，易燃气体监测成为主要的安全问题之一。当终端设备上搭载的传感器检测到可燃气体时，会立刻将信息传送给协调器，从而触发GSM短信报警模块工作，向用户发送短信。

2 系统设计与实现

2.1 系统硬件设计

2.1.1 CC2530片上系统

本设计使用ZigBee技术进行智能家居系统无线传感网络的组网，选用TI公司的CC2530片上系统作为ZigBee模块。CC2530是进行ZigBee组网的理想解决方案，使用CC2530进行组网，成本低廉并且性能优异[3]。CC2530片内集成了RF收发器和增强型的8051内核，芯片内可编程闪存最高可达256 KB，增添的3 dB/2.4 GHz的天线，完全满足绝大数应用的需求。TI公司同时也推出了相应的协议栈Z-Stack。在该协议栈内部植入了一个基于事件驱动的轮询式操作系统OSAL，能很好地响应系统关联的触发时间[4]。

2.1.2 MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器属于二氧化锡半导体气敏材料。二氧化锡可与空气中的氧气发生反应，形成氧的负离子吸附，引起导体电导率的变化。基于电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大的特点，即可灵敏地检测可疑气体的浓度。再利用简单的电路设计即可将输出电阻的变化转换为该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对氢气、烷类气体的灵敏度高，对天然气和烟雾的检测也很理想。这种传感器具有稳定性好、响应迅速、驱动电路简单等特点，可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。在设计中，当危险气体环境浓度达到报警值时，TTL開关信号输出低电平至终端节点P0_6端口;平时正常状态时为高电平。

2.1.3 短信报警模块SIM800A

SIM800A是一款由SIMCOM公司生产的GPRS通信模块，支持GSM和GPRS两个频段，SMT封装，具有极大的应用价值[5]。SIM800A模块与CC2530具有良好的兼容性，且性价比高、功耗低，得到报警信息后进行无线传输向用户发送短信，保证了数据传输过程的可靠性与稳定性。

2.1.4 语音识别模块

LCD3320是一款由IC Route公司设计生产的“语音识别”专用芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括A/D转换器、D/A转换器、麦克风接口、声音输出接口等，可直接实现语音识别、声控、人机对话功能。芯片集成的麦克风将采集到的信号进行频谱分析，并采用二级指令控制方法提取语音特征[6]。通过IC Route公司特有的快速而稳定的DSP优化算法，完成非特定语音识别，准确率高达95%。

2.2 系统软件设计

本设计移植了TI公司推出的Z-Stack协议栈。协议是一系列的通信标准，协议栈则可理解为协议与用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用协议，实现无线数据收发。Z-Stack协议栈建立在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层规范之上。网络层（NWK）和应用层（APL）由ZigBee联盟来制定，每一层都自下而上地为上一层提供数据或服务[7]。在应用层内提供了应用程序支持子层（APS）和应用程序对象（ZDO）。ZigBee协议的体系结构如图2所示。

Z-Stack是经过ZigBee联盟认证的ZigBee应用开发标准平台[8]，其目的是在网络覆盖的工作区域中感知、收集和处理感知对象的信息，并将其发布给观察者。Z-Stack软件也因其出色的ZigBee与ZigBee PRO特性集被ZigBee测试机构国家技术服务公司（NTS）评为ZigBee联盟最高业内水平。目前该软件已为全球数以千计的开发人员采用。它装载在一个基于IAR开发环境的工程里，配套完整稳定的专业嵌入式应用开发工具IAR Embedded Workbench的C交叉编译器，组成了层次清晰，工具齐全的ZigBee应用开发环境。

ZigBee网络设备软件主要包括ZigBee网络协调器、终端节点和执行模块的应用程序。系统软件架构如图3所示。

2.2.1 ZigBee协调器设计

星型结构是WPAN最简单的单跳网络拓扑结构，以协调器为中心建立无线网络，网络协调器必须为FFD设备[9]。它的功能包括创建网络、添加成员、数据管理与上位机交互等。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后分配终端节点的网络地址，启动网络。协调器也可用来协助绑定建立安全层与应用层。在智能家居系统中，各ZigBee终端节点将采集到的传感器信息数据无线传输给ZigBee协调端，协调端由信息判断执行操作。ZigBee协调端工作流程如图4所示。

2.2.2 ZigBee终端设计

ZigBee终端节点程序主要是实现加入网络以及传感器信息的采集和传输。本设计中，终端节点经过操作系统、应用层等一系列初始化后，反馈判断后加入网络。网络状态更新，终端开始循环收集语音识别模块及气体传感器的数据传送给协调端，协调端根据实时采集数据对GSM报警模块和LED照明进行操控。ZigBee终端设备工作流程如图5所示。

3 系统测试

在对本智能家居系统搭建完成后，主要对系统的通信质量和信息采集准确率进行测试。试验使用CC2530三块开发板分别作为协调器和两个终端节点。协调器收到数据后执行相应动作，节点信息可通过TFT屏或串口助手显示。

3.1 网络组件测试

使用IAR Embedded Workbench软件将协调器与终端程序编译好，协调器上电后立即自动创建网络，搜寻子设备。协调器网络地址为0x0001。打开两个终端节点，成功加入网络，分配网络地址0x0002。再将终端节点电源关闭后打开，可从TFT屏上观察到节点重新回到网络，说明网络有较好的安全性和自愈功能。分别测试语音识别模块和GSM报警模块，识别准确，工作正常。图6为语音命令时串口助手界面。

3.2 通信质量与信息采集测试

将调试好的系统终端节点分别布置在家中相应位置，依次上电。用打火机在厨房终端附近模拟煤气泄漏状况，终端指示灯亮且协调器GSM模块立刻发送报警信息。在房间入口或交接处终端附近开灯或关灯，协调端LED灯响应及时、准确。试验节点距离须保持在30 m内，测试结果表明，系统通信质量稳定，气体传感器及语音识别模块采集数据信息准确度较高。图7为手机接收报警信息界面。

4 结 语

ZigBee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。本文采用ZigBee无线通信技术搭建了一套具有免布线、维护方便、运行费用低的智能家居系统。在智能家居和商业楼宇自动化方面，将灯光、电视、安防等通过遥控器一手掌控，远比传统遥控方式更方便。开发语音识别功能可方便快捷地进行人机交互，GSM警报功能则能快速高效地满足家庭无人环境下实时安防的需求。测试结果表明，基于ZigBee技术的智能家居研发系统稳定性好、灵敏度高，便于功能扩展，在智能家居市场有较好的应用前景。

参考文献

[1]陈新奋，彭银桥.基于STM32和ZigBee的智能家居控制系统[J].电子技术与软件工程，2019，8（21）：16-18.

[2]梁湖輝，张峰，常冲，等.基于ZigBee的变电站检测报警系统[J].电力系统保护与控制，2010，38（12）：121-124.

[3]张文海.基于物联网的智能家居安防系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2015.

[4]陆欣云，卢松玉，赵家城，等.基于ZigBee网络的智能家居监控系统设计与实现[J].现代信息科技，2018，2（12）：193-195.

[5]刘子峰.独居老人室内安全监护终端设计[D].大连：大连交通大学，2018.

[6]张灵健，郝万君，陈嘉华，等.基于ZigBee的分布式家庭语音控制系统的设计[J].电子设计工程，2019，27（2）：16-19.

[7]万幸.基于ZigBee技术家居环境改善系统研究[D].南昌：南昌大学，2019.

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[10]石荣会.浅析ZigBee无线通信技术在智能家居中的应用[J].电脑迷，2018，16（12）：221.