基于ZigBee 网络的智能家居节能系统设计

刘婷，李洋

（湖南信息职业技术学院软件学院，湖南 长沙 410200）

随着科技不断进步，生活水平不断提升，人们对于家居智能化有更多需求。目前，市场大部分智能家居方案存在价格较高、兼容性较差、连接节点较少的情况，导致智能家居普及度不高，节能性较差。针对以上情况，本文通过基于ZigBee 网络创建智能家居节能系统，利用其传输信息可靠、可拓展性强和经济价廉等特点[1]，将人体红外传感器和光敏电阻传感器相结合，可以实现自动识别人员，根据光照情况自动启停家居灯具，逐步缓解电力紧缺、共享科技创新成果、提高智能家居节电能力，对推进节能减排共建和谐社会具有实际意义，是促进社会自身可持续发展的重要途经。本系统具有成本低、节能效果显著等优点，具有一定的推广价值。

1 系统设计

如图1 所示，基于ZigBee 的智能家居节能系统包括以下3 部分。

图1 系统设计图

信息采集模块：所有房间需智能控制盒，智能控制盒内有2 个模块：一个是信息采集模块，即ZigBee终端设备；一个是电力控制模块，用于控制家庭灯源供电系统。信息采集模块由人体红外感应器、光敏电阻传感器组成。人体红外感应器定期识别房内是否有人存在，如果房内有人，将继续进行光敏电阻检测，当房内光照较强时，数据返回给协调器，协调器通过串口将以下消息传递给电脑：有人在房内，需要开灯。电脑收到消息后，即可与灯开关进行确认，如检测未开灯，立刻传输信号开启灯源，如检测已开灯，则不做其他操作。

信息接收模块：信息采集模块将每个房间的传感器返回的信息发给ZigBee 协调器。

信息处理模块：协调器将信息通过串口发给PC 端或者手机端，PC 端或者手机端根据传感器状态可以随时远程遥控房间灯控系统[2]。

2 硬件设计

2.1 开发板设计

主控制器采用市场主流ZigBee 芯片CC2530，CCC2530 是基于 2.4 GHz ⅠEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一个片上系统解决方案。可以通过极低的总材料成本建立强大的网络节点[3]，广泛应用于照明系统、工业控制和监控、低功耗无线传感网络、消费型电子、医疗保健等领域。CC2530 芯片引脚如图2 所示。

图2 CC2530 芯片引脚

2.2 节能系统设计

教室节能系统的终端节点负责采集各个房间的人员、光照情况，由ZigBee 协议射频模块CC2530、光敏电阻LM393、人体红外传感器HC-SR501 组成。HC-SR501、LM393 实物图如图3 所示。

图3 HC-SR501、LM393 实物图

2.2.1 人体红外传感器HC-SR501

人体都有恒定的体温，约为37 ℃，因此会发出特定波长10 μm 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm 左右的红外线而进行工作。人体发射的10 μm 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。人体红外传感器HC-SR501可以检测3～7 m 内的人员。

2.2.2 光敏电阻LM393

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，增加灵敏度，两电极常做成梳状。光敏电阻根据光亮强度，能够实现不同电信号传输，也可以根据实际需要，调整灵敏度，用在各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭。

3 软件设计

3.1 ZigBee 协议

无线自组网ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯[4]。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用技术[5]。ZigBee 通信协议由ZigBee联盟定义，已经发布多个版本，其中ZigBee通信协议物理层与数据链路层是基于ⅠEEE 802.15.4 标准，路由层、网络层是由ZigBee 联盟定义。ZigBee技术具有大规模组网能力，最高支持65 535 个节点组网。

本文系统设计中主要应用ZigBee 技术中的2 种类型网络设备：ZigBee 协调器节点、ZigBee 终端设备节点。

3.2 人体红外/光敏电阻传感器部分代码

人体红外读取函数的功能是读取房间内人员活动情况，当房间有人时，引脚电平为1，光敏电阻传感器读取函数的功能是读取房间内光线情况，当房间光线较暗时，引脚电平为1。ZigBee 终端节点设备将采集数据发给ZigBee 协调器节点，在有人且光线较暗时，自动将房内灯光系统打开。关键代码如下：

3.3 实验现象

智能家居节能系统主要包含ZigBee 节点软件和电脑端控制软件2 个部分，软件设计采用模块化设计。

ZigBee 节点包括ZigBee 协调器节点、终端节点。ZigBee 终端节点部署在各个房间，终端节点设备接人体红外传感器、光敏电阻传感器、电源线，主要功能为应用传感器采集房内人员、光线情况，并通过电力控制模块控制房间灯源供电系统。ZigBee 协调器是网络中心节点，主要功能是与ZigBee 终端设备节点进行无线通信，同时通过串口数据传输将收到的传感器采集数据上传至电脑端，设备只需连接电源线，安装对应串口驱动程序，连接电脑。协调器作为整个ZigBee网络中的核心设备，起到组件和维护的功能，即使出现部分房间终端节点故障，也能够在30 s 内完成重新组网。各个房间采集的数据通过ZigBee 协调器发给PC端或者手机端，根据采集情况，自动控制房间灯源供电系统，同时PC 端或者手机端也可以直接远程控制房间开关灯[6]。实物图如图4 所示。

图4 实物图

4 结束语

本系统基于ZigBee 开发板、人体红外传感器、光敏电阻传感器采集房间人员及光线信息，通过无线传输，实现智能家居节能系统的自动控制，在节能效率、节能成本方面有较大优势，能够提高智慧家居自动化管理能力。系统运行效果显示，该设计方案有效可行，具有一定的应用价值。