基于ZIGBEE无线技术的智能家居系统设计

秦煜明 周盼 周柏任 董姜凌

摘 要： 在人们安全防范意识不断提升、生活水平不断提升的过程中，人们对自身的居住环境具有了更高的关注度，不仅对家居环境的舒适性以及人性化具有要求，对安全、智能也具有了更高的要求。在本文中，将就基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计进行一定的研究。

关键词：ZigBee无线技术;智能家居;系统设计

1 引言

智能家居控制是一个复杂程度较高的控制系统，为多种技术的融合应用，即在住宅为平台的基础上通过计算  机、网络通信以及自动控制技术的应用结合系统当中各类子系统，在对网络化、家庭化家居控制目标进行实现的基础上使家庭生活具有智能、便利以及安全的特征。同普通家居相比，智能家居在具有传统居住功能的同时能够具有舒适安全以及高效节能的特点，能够获得更为人性化的生活体验。

在智能家居实际应用当中，无线控制设备是非常关键的一项内容，就以往来说，控制设备具有较多的遥控终  端，不仅在管理方面存在难度，且使用较为复杂。在现今信息技术以及物联网技术不断发展的过程当中，手机则可以作为智能家居的控制中心使用，通过手机APP同无线通讯方式的应用在对研发制造成本进行降低的基础上获得更好的体验。

2 ZigBee协议

在具体传输方面，传统的WiFi以及蓝牙方式受到价格、功耗、传输距离等方面的影响，而对其广泛应用产生了一定的限制。在无线传感网络不断研究发展的过程当中，ZigBee技术得到了发展，具有着成本低、网络容量大、功耗低以及安全可靠的特征。在ZigBee协议栈当中，其具有四层结构的定义，即物理层、介质访问控制层、网络层以及应用支撑子层这几部分。应用层框架方面，则由设备对象以及应用支持子层组成。在实际工作当中，由协议栈当中的各层对对应的任务目标进行完成，并在目前任务后向上层对服务与信息进行提供，在不同层间，通过接口逻辑链路方式的应用实现服务与信息的提供。网络层方面，其支持星型、网络网状型以及树形结构。在本研究当中，对星型结构进行使用，使用网关对其进行组建维护处理。

3 总体设计

在本研究当中，将以Android手机为控制轴心，通过WIFI或者公网（2/3/4G）与云端服务器连接，对ZigBee网关进行控制，Zigbee网关与Zigbee控制器使用星型组网和数据传输。

在实际应用当中，使用者在手机上安装相应的APP软件，再使用WIFI或者公网（2/3/4G）连接后云端服务器后，通过与云端服务器的命令交互，向Zigbee网关发送命令。Zigbee网关在接收到命令之后，根据云端服务器和Zigbee网关之间的协议，ZigBee网关根据命令控制对应的Zigbee子节点，达到控制被控对象和采集数据的目的，实现智能家居，实现达到智能化控制的目标。被控对象可以包括灯光、窗帘、空调、电视、热水器、电饭锅等，使用者通过手机APP登录账号，在APP图形化的界面点击不同的功能，控制不同的对象;传感器采集功能方面，当系统监控区域发生警情或者其他情况时，在监控区域安装的传感器则会将探测到的警情信息或者其他的情况后，Zigbee子节点将采集到相关数据，Zigbee子节点将警情信息或者其他的数据实时的上传到Zigbee网关，再有Zigbee网关上报到云端服务器，云端服务器将根据警情信息调用相应的接口，实时通知对应的报警平台，并通过和手机APP的通讯协议推送警情到使用人的手机。

4 系统硬件电路

该系统由ZigBee子节点、Zigbee网关、Android手机、云端服务器以及各类传感器组成。ZigBee子节点和网关为系统的主要电路设计，在本研究中，所使用的Zigbee基带芯片为AT86RF212，该芯片集成700/800/900MHz频段的收发器，中国WPAN频段为779MHz至787MHz，1.8V～3.6V低电源供电，睡眠电流0.2uA，收发器关闭时电流为0.4mA，接收状态为9.0mA，接收灵敏度达-110dBm，可编程发送输出频率可达+10dBm，可支持IEEE 802.15.4-2003标准[2]低数据传输速率（20和40kbit/s）并通过O-QPSK调制制式分别支持符合IEEE 802.15.4-2006[1]和IEEE P802.15.4c草拟修订本[3]标准的选用数据传输速率（100和250kbit/s）。此外，还可实现特有的高达1000 kbit/s的高数据传输速率模式;子节点控制器采用超低功耗的MCU，型号为MSP430F5328，该MCU供电电压范围1.8V～3.6V，待机模式下功耗为1.4uA@3V供电时，具有多种低功耗模式，很适合电池供电的系统;网关MCU采用功能强大的LPC1766，该芯片采用的ARM Cortex-M3架构，主频可达100MHz，支持RMII网络接口和多路UASRT接口，符合本系统中Zigbee网关的需求。

5 软件实现

5.1 手机监控界面

在手机端监控界面方面，主要具有灯光、窗帘、空调、电视、热水器、电饭锅控制按钮、报警信息、连接状态显示等相关信息，通过按键方式对控制命令进行发送。同时，允许在同一时间具有多个子节点的接入，能够对个子节点信息进行实时的显示和控制。

5.2 软件设计

子节点和网关软件方面，采用ATMEL的BitCloud Zigbee协议栈，BitCloud完全兼用ZigBee?PRO和ZigBee标准协议。在更改协议栈配置的情况下，即能够将协议栈实现对子节点的控制。系统软件设计方面，子节点除了Zigbee协议栈外还包含硬件方面的初始化处理和业务处理程序;网关除了Zigbee协议栈外，还包含网络方面的处理程序和业务处理程序。

6 结束语

在上述文中，我们对基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计进行了一定的研究。该系统能够对多种传感器（例如气体、温湿度）的检测、多种场景应用控制的实现，且具有报警、控制等功能，能够在家居安全的基础上为居民提供更為舒适、便捷的生活环境，具有较好的研究应用价值。

参考文献

[1]陶在红，杨宇，常建华.基于ZigBee的智能家居控制系统设计[J].现代电子技术.2014（23）

[2]陈克涛，张海辉，张永猛，张杰，吴婷婷.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报（自然科学版）.2014（05）

[3]徐书芳，王金海，宫玉龙，任凯.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计[J].电子技术应用.2013（08）

[4]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报.2013（01）

[5]蔡利婷，陈平华，罗彬，魏炎新.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展.2012（11）

[6] AT86RF212.pdf

（南京工程学院）