基于Zigbee的智能家居控制系统

基于Zigbee的智能家居控制系统

摘要:本文介绍了基于Zigbee的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件和软件设计方法以及测试结果。测试表明，本系统能够成功地利用Zigbee技术对家居设备进行无线组网，配合以NiosII软核为核心的系统终端，完成家居信息的实时显示、家居设备的自动控制和自动根据险情进行短信报警等功能，系统工作快速、灵活、稳定，市场前景广阔。

关键词：Zigbee；智能家居；NiosII；远程报警

1 引言

智能家居控制系统是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。随着科技的提高和经济的发展，人们对家居环境的要求越来越高，作为家居智能化的核心部分—智能家居控制系统也越发显得重要。本系统采用Zigbee技术、FPGA技术、自动控制技术和传感器自动检测技术，利用以CC2530为核心的Zigbee模块完成系统组网、传感器数据的采集和传输功能。系统终端以NiosII 软核为核心，完成显示、综合控制和报警等功能。

2系统概述

基于Zigbee的智能家居控制系统以充分利用系统资源完成对家居环境的监测和家居设备的综合控制，为用户提供更方便舒适的家居生活体验为实现目标。用户通过终端查看家居信息、操作系统运行和设定温湿度等环境参数；各家用电器和窗帘等处的电机等家居设备根据传感器采集的相应数据和用户设定等因素，在终端的控制下工作；组网功能由隐藏在家中各处与终端和各传感器、家居设备相连的Zigbee模块完成。

2.1 系统组成

本系统由一个多个节点、一个终端和一台上位机组成。节点由Zigbee模块接入系统终端和传感器、家用电器、电机构成，节点之间的网络拓扑结构为星型网络]1[，其中位于星型网络中心的终端收发节点与作为终端的DE2开发板相连。终端通过上位机软件连接家中的台式电脑，同时终端还与GSM 模块连接以便完成发送短信的功能。系统组成框图如图2.1所示：

图2.1 系统组成框图

2.2 系统功能

为了给用户提供一个安全、舒适、方便的居住环境，使系统对家居设备的控制更便捷高效，同时为用户家庭节约能耗，本系统可以实现以下功能。

（1）检测室内温度并显示在终端显示屏上，同时自动控制空调完成温度调节；

（2）结合温湿度和用户是否在家及用户起床的情况自动开启空调、电视机和微波炉；

（3）检测家中非法入侵、着火、漏水等情况，同时根据险情对用户进行本地报警和短信报警；

（4）早上用户起床后，微波炉、热水器等自动开启，窗帘自动打开；

（5）用户可通过上位机控制系统，设定温湿度等参数。

3系统开发方案

本系统利用Zigbee和FPGA技术，以IAR、Nios II和Visual Basic软件作为开发环境，使用DE2开发板和以CC2530为核心的Zigbee模块作为开发工具进行开发。对系统的开发主要分成节点、终端和上位机三个部分进行。

节点间利用Zigbee协议进行无线通信，网络拓扑结构采用星型结构。以CC2530为核心的Zigbee模块不但是无线收发器，还能够作为微控制器完成对传感器、继电器等外围设备的控制。而星型网络结构便于用户在系统中增加和减少节点，且系统可以随时为增加的节点建立无线通信链路。在对Zigbee模块进行开发时，本系统在官方协议栈基础上，对应用层进行开发，使其完成系统组网、传感器数据的采集和传输功能。

终端利用FPGA技术，以NiosII为核心，在DE2开发板完成开发。终端的功能是显示、对家居设备的综合控制和报警等，其中报警功能由终端控制GSM

模块实现。终端与终端收发节点之间通过SPI串口连接。

上位机由Visual Basic软件完成开发。上位机软件在电脑上运行，主要作用为显示信息和修改温湿度等参数，通过UART串口与终端相连。Visual Basic的图形用户界面和UART通信模块都为上位机软件的开发提供了方便。

4系统硬件设计

本系统为了实现其功能，所需硬件有Zigbee模块、DE2开发板、GSM模块、传感器、电机、继电器等。下面就Zigbee模块和系统硬件结构作介绍。

4.1 Zigbee技术及其原理

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技术，主要用于近距离无线连接。Zigbee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。Zigbee协议应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及Zigbee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层]2[，其结构如图4.1所示：

图4.1 Zigbee协议架构

4.2 Zigbee模块硬件设计

Zigbee模块以CC2530芯片为核心，在硬件设计方面主要完成无线收发电路的设计。Zigbee模块实现原理如图4.2所示：

图4.2 Zigbee模块实现原理图

4.3系统硬件结构

系统硬件连接结构如图4.3所示。节点之间利用Zigbee协议进行通信，终端收发节点与终端之间利用SPI串口进行数据传输，终端与上位机之间、终端与GSM模块之间均通过UART串口传输数据。FPGA的硬件定制技术使得为终端设置两个UART串口并通过它们分别与两个外部设备相连成为可能。

图4.3 系统硬件结构图

5系统软件设计

本系统的软件设计主要是完成三个部分功能设计：节点、终端和上位机。以下将分别进行说明。

5.1 节点的软件设计

节点作为本系统的基本结构，主要实现系统组网、传感器数据的采集和传输功能。终端收发节点以外的各节点工作原理基本一致，下面以红外线传感器节点]3[为例来说明各节点的软件设计原理。该节点在初始化完成后开始采集红外线传感器和功能选择开关的电平，其中功能选择开关若为高电平则说明主人在家中活动，不需要进入戒备状态；若其为低电平则说明主人外出或者休息，需要进入戒备状态并读取红外线传感器的电平，此时若红外线传感器处于低电平则说明有人正在进入家中，节点向终端收发节点发送用于警告的数据。终端收发节点作为系统各节点与终端连接的桥梁，需要实现的功能有数据的接收和初步处理（接收几个传感器节点发送的数据，并将它们按一定顺序排成当前的状态字符串）、节点与终端之间的SPI数据传输和数据向多节点发送等功能。红外线传感器节点和终端收发节点的工作流程图如图5.1所示。

Zigbee profiles

Network application layer

data link layer

IEE802.15.4 LLC 802.2LLC IEEE802.15.4 MAC

868/915PHY 2400PHY

Zigbee

……

……

DE2

上位机

SPI

UART

GSM

UART

Zigbee

Zigbee

Zigbee

图5.1(a) 图5.1(b) 红外线传感器节点工作流程图 终端收发

节点工作流程图

为了保证整个系统运行流畅稳定，技术上的难点为数据收发之间的配合。首先，为了保证终端收发节点能够有充分时间接收各节点的数据并进行处理，各节点每隔两秒向终端收发节点发送一次信息；其次，为使整个系统同时上电时也能保证发送数据的时段不冲突，应使各节点刚加入网络时各自进行不同长度的延时。

5.2 终端的软件设计

该部分主要是在DE2开发板上完成 NiosII 软核的设计，使其实现系统显示、报警和综合控制功能以及与终端收发节点之间的SPI 数据传输。终端工作流程图如图5.2所示。

图5.2 终端工作流程图

其中，短信报警程序根据GSM 通信协议编写，该部分程序如下：

void message(char *size,char *ms) { char at[] = "AT\r";

char init[] = "AT&F\r"; char cmgf0[] = "AT+CMGF=0\r"; //PDU

Uart_send_n(at); usleep(200000); Uart_send_n(init); usleep(200000);

Uart_send_n(cmgf0);//PDU 模式发送短信 usleep(200000);

Uart_send_n(size);//大小 usleep(200000);

Uart_send_n(ms);//PDU 模式下短信编码 usleep(5000000);}

2.3 上位机的设计

上位机图形用户界面作为本系统的辅助管理界面，具有显示温、度等环境状态的功能和修改环境参数的功能。它利用Visual Basic 作为开发平台设计完成。其界面和工作流程图如图5.3所示。

6 系统测试

系统测试分为黑盒测试和白盒测试，黑盒测试主要进行了功能测试，白盒测试主要进行了内部逻辑测试。经测试，终端和各节点工作情况良好，能够稳定地实现其预期的全部功能。

（1）温湿度传感器节点：能顺利采集温湿度，发送采集到的数据给终端收发节点。

（2）红外线传感器节点：用户外出/休息时红外传感器工作，将非法入侵信息发送给终端收发节点，其他情况不工作。

（3）压力传感器节点：安置在床上正中，能够正确判断用户是否起床并将信息发送给终端收发节点。

（4）终端收发节点：能够顺利接收各传感器节点发送的数据并完成初步的处理，将需要终端进行显示和处理的数据传输给终端；同时能够接收终端传输的控制指令，将其发送给相应的家用电器或电机节点。

（5）终端：能正确接收终端收发节点传输的数据和上位机软件发送的对于家居环境的参数设置，综合判断当前环境情况，并在传输正确的控制指令给终端收发节点的同时显示温湿度等环境信息；当出现险情时，能够根据险情内容及时完成本地报警和短信报警，当用户响应时能够解除报警。

（6）电视节点、空调节点、微波炉节点：各节点均能正确接收终端收发节点发送的控制指令并正确开合继电器。

（7）电机节点：能正确接收终端收发节点发送的控制指令，根据指令完成对电机的控制，带动窗帘的开合。

图5.3(a) 上位机界面图 5.3(b)上位机工作流程图

7系统特点

本系统运行状态稳定。其特点主要体现在一下几

个方面：

(1)组网灵活、交互性强。 Zigbee 技术可以任意组网的特点赋予本系统灵活、智能和交互性强等特点。本系统可以根据用户的需求确定网络内节点的数量和位置，且如果增加或去掉个别节点依旧不影响整个系统的工作，这样极大地增强了系统的稳定性和可靠性。

(2)节点隐蔽性好。系统中的各个节点体积较小，隐蔽性好，因此一般不会暴露在用户家中可见的地方。

(3)综合处理能力强。与FPGA 技术相结合，极大地增强了系统综合处理数据的能力和系统运行的速度。

(4)低成本、低功耗、安全性高。 Zigbee 技术相对于常见的Bluetooth 、Wi-Fi 等具有低复杂度、低成本、低功耗、高安全性等优点，更适合物联网的推广和发展，有着广阔的发展前景。

8结论

本系统能够成功地利用Zigbee 技术对家居设备

进行无线组网，配合以FPGA 、GSM 、SPI 、自动控制和传感器自动检测等技术，完成家居信息的实时显示、家居设备的自动控制和自动根据险情进行短信报警等功能，系统工作快速、灵活、稳定，具有开发成为实际产品的潜力。本系统下一步的改进目标是完善短信报警功能，即若短信发出后五分钟内用户没有回复短信进行响应，则系统再次发送短信。同时系统可以增加打电话功能，用户可以通过系统之间与小区管理处进行联系。

参考文献

[1] 马福，;金东勇，张英梅，张建国. 基于Zigbee 技术智能家居系统组网研究 [J].传感器世界，2008年03期

[2] 黄磊，付菲，闵华松. 基于Zigbee 技术的智能家居方案研究[J].微计算机信息，2009，25(14)：71-73.

[3] 朱益运，吕杨. 基于CC2430的智能家居Zigbee 无线数传设计与实现[J].云南大学学报，2009,31（S1）：114-115

否

是

开始

初始化

接收终端传来的数据

显示数据

将修改后的参数发给终端

修改参数？