第３６卷第１期 ２ ０ １ ７年３月 计 算技术与 自 动化 ＶｏＩ．３６．Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２ ０ １ ７ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 文章编号：１００３—６１９９（２０１７）０１～００７４—０４ 基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居控制系统的设计 毕赣斌 ，何 勇，赵诗辞 （贵州大学计算机科学与技术学院，贵州贵阳５５００２５） 摘要：通过对近年来智能家居的研究，以￥３Ｃ６４１０为智能网关的核心处理器，应用ＺｉｇＢｅｅ无线传感 器网络、嵌入式、ｗｉ—Ｆｉ等多种技术，设计了一套智能家居系统。用户可利用手机远程监测家庭情况，并对 家电设备等进行控制。实现了防盗自动报警、灯具自动控制、家庭环境监测、远程控制电器设备等功能。 关键词：￥３Ｃ６４１０；ＺｉｇＢｅｅ；嵌入式技术；智能家居 中图分类号：ＴＰ２７３．５ 文献标识码：Ａ Ｄ０Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—６１９９．２０１７．０１．０１５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｓｍａｒｔ Ｈｏｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＢＩ Ｇａｎ—ｂｉｎ十，ＨＥ Ｙｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｓｈｉ—ｃｉ （１．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｏｎ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｍａｒｋｅｔ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ａ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ￥３Ｃ６４１０ ａｓ ｇａｔｅｗａｙ ｃｏｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｉ—Ｆｉ ａｎｄ ｏｔｈ— ｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ ｔＯ ｍｏｎｉｔｏｒ ｈｏｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ． Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｕａｒｄｉｎｇ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅｆｔ ａｌａｒｍ，ｌａｍｐｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａ１ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：￥３Ｃ６４１０；ＺｉｇＢｅｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ 线介质构成一个整体，实现了防盗自动报警、灯具 ｌ 引 言 近年来，人们对家庭居住环境的要求随着科学 技术的发展和人们生活水平的提高而越来越高。 各大厂商带动的智能设备普及化使得现代家居向 着高度智能化、人性化的方向发展。 自动控制、家庭环境监测、远程控制电器设备等功 能，使家居更安全、舒适、节能、环保。 ２系统总体设计 本文旨在构建一套能够实时监测控制家庭环 智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安 装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统 的过程就称为智能家居集成＿１］。它是融合了自动 境的智能家居系统。该系统通过无线传感器获取 家中各个房间的环境数据并传输至网关，用户可用 手机向智能网关请求查询环境数据，当家庭环境发 生异常时通知用户并做出相应反应；通过网络摄像 头实时采集家中的视频图像，方便用户进行可视化 管理；通过无线红外遥控模块，用户可随时用手机 对家用电器等进行控制。其系统总体设计框图如 图１所示。 化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一 体的网络化智能化的家居控制系统［２］。本文以三 星公司￥３Ｃ６４１０处理器为智能网关的核心处理 器，利用ＺｉｇＢｅｅ模块、ｗｉ—Ｆｉ模块及多种移动终 端设计了一个智能家居系统，使分立的设备通过无 收稿日期：２０１６—０８—０２ 基金项目：面向物联网数据采集的即插即用型网关样机研制（黔科合ＬＨ字［２０１４３７６３８） 作者简介：毕赣斌（１９９Ｏ～），男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络。 十通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：４９７３４２８８１＠ｑｑ．ｃｏｍ 第３６卷第１期 毕赣斌等：基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居控制系统的设计 图１ 智能家居系统总体设计框图 根据用户需求和实际情况本系统有以下几个 子系统： １）智能网关控制系统：是整个智能家居监控系 统的核心，负责传感器的数据采集和控制、与手机 端的交互，并对系统进行管理； ２）智能照明控制系统：通过继电器和智能调光 模块达到对家庭灯光的控制，让用户可以使用手机 远程操作任意房间里灯光的开关和亮度； ３）智能家电管理系统：通过继电器和无线红外 遥控模块，在无须对现有家电改造的情况下实现远 程控制的功能； ４）智能环境监测系统：通过ＺｉｇＢｅｅ终端设备 上的温湿度、气体等传感器，实时采集家庭的环境 数据并通过协调器上传至网关，当网关分析判断有 异常数据时，自动做出相应的反应并发送报告信息 至用户手机。 ５）智能安防监测系统：通过ＺｉｇＢｅｅ终端设备 上的气体、人体红外感应等传感器、门磁开关控制 器等，结合网络摄像头，实时监测是否会发生煤气 泄漏、外来人员闯入、火灾等特殊情况。当特殊情 况发生时系统做出相应的反应并将情况发送至用 户手机。 ３系统硬件设计 ３．１智能网关模块 智能网关是智能家居系统的总控制器，能够实 现内部网络与网布网络之间的通信，通过ＺｉｇＢｅｅ 无线通信网络对终端设备进行实时监控和管理［３］。 智能网关主要由微处理器、存储系统、电源模块、以 太网模块、通信模块、网络模块和扩展接口等部分 组成。本系统采用三星的￥３Ｃ６４１０芯片作为智能 网关的处理芯片，它是一个１６／３２位的微处理器， 该芯片采用ＡＲＭ１１７６ＪＺＦ—Ｓ内核。以太网模块 将网关接人到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上，方便用户实行远程控 制；ＺｉｇＢｅｅ模块实现网关与家庭ＺｉｇＢｅｅ网络之间 的通信，能够监控ＺｉｇＢｅｅ节点。智能网关硬件结 构框图如图２所示。 图２智能网关硬件结构框图 ３．２ ＺｉｇＢｅｅ通信模块 本系统采用ＺｉｇＢｅｅ网络拓扑结构中的星型结 构。星型结构的网络是由一个协调器和多个终端 设备组成的，该网络拓扑结构简单，比较适用于家 庭这种小范围的室内场合。协调器主要负责创建 内部无线网络，实现数据的转发，并通过ＺｉｇＢｅｅ无 线网络与智能网关进行数据传输。终端节点负责 接收执行协调器传来的命令，并把采集到的信息发 送给协调器［４ Ｊ［引。 ＺｉｇＢｅｅ模块采用美国德州仪器公司生产的 ＣＣ２５３０芯片，该芯片提供了一个ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 兼容无线收发器，使用８０５１ＣＰＵ内核，包含了系 统内可编程闪存，８ＫＢ ＲＡＭ和许多其它强大的功 能。ＣＣ２５３０具有２个ＵＳＡＲＴ、８位和１６位定时 器、看门狗定时器、８路输入可配置的１２位ＡＤＣ、 ２１个ＧＰＩＯ、ＡＥＳ１２８协同处理器，硬件支持ＣＳ－ ＭＡ—ＣＡ、强大的ＤＭＡ功能等。由于其硬件设计 简单，封装小，功耗低，在无线传感器网络中得到了 广泛的应用 ］。ＺｉｇＢｅｅ通信模块是组建家庭内网 的基本单元，通过ＺｉｇＢｅｅ通信模块把家庭内网与 互联网连接起来，实现数据的转发。 ４系统软件设计 ４．１ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的软件设计 由于本文采用的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络采用 星型结构，该结构是由一个协调器和多个终端设备 组成的，所以需要对这两种设备分别进行软件 设计 计算技术与自动化 ２０１７年３月 １）协调器的软件设计 协调器的主要功能有：网络的建立与维护、与 家庭网关的串口通信、与终端设备的无线通信、设 置外出／调温模式以及控制协调器上的电器设备。 协调器是终端设备与嵌入式家庭网关进行通信的 桥梁：与终端设备通信时，协调器监听无线数据接 收缓冲区，将接收到的终端设备的数据通过串口透 明传输的方式转发给网关。与网关串口通信时，协 调器监听串口数据接收缓冲区，将用户在客户端下 达的命令通过无线的方式转发给终端设备。Ｚｉｇ－ Ｂｅｅ协调器的工作流程图如图３所示。 图３ ＺｉｇＢｅｅ协调器工作流程 ２）终端设备的软件设计 终端设备的主要功能有：扫描周围的ＺｉｇＢｅｅ 网络并申请加入、采集数据并发送给协调器、执行 协调器的命令吲。ＺｉｇＢｅｅ终端设备的工作流程图 如图４所示。 图４ ＺｉｇＢｅｅ终端设备工作流程图 ４．２ Ａｎｄｒｏｉｄ手机控制端的软件设计 Ａｎｄｒｏｉｄ手机端的主要功能有：与服务器建立 连接、查询家中情况、控制家中设备和对智能家居 系统进行配置。手机端主要有查询模块、控制模块 和配置模块，其应用请求处理流程图如图５所示。 ５ 结 论 本文提出了基于ＺｉｇＢｅｅ技术的新型智能家居 检测控制系统的设计方案，完成了系统的硬件设计 和软件设计。本系统实现了防盗自动报警、灯具自 动控制、家庭环境监测、远程控制电器设备等功能。 与传统的智能家居相比，本系统价格低廉、易于实 现和维护、使用方便，有良好的应用前景。 第３６卷第１期 毕赣斌等：基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居控制系统的设计 ７７ ， 发送查询命令给传感 发送控制命令给传感 发送配置命令给配置 ｉ 器服务子系统 器服务子系统 服务子系统 ， ｉ ｌ 获取传感器数据 获取命令执行结果 获取配置结果 ， 封装传感器数据 封装命令执行结果 封装配置结果 ， Ｊ ｊ Ｉ发送传感器数据到手 发送命令执行结果到 发送配置结果到手机 ｆ 机 手机 ｌＩ Ｉ 图５手机应用请求处理流程 ［４］ 陆梦来．基于ＺｉｇＢｅｅ的智能家居网关的设计与实现［Ｄ］．苏 参考文献 州大学，２０１３． Ｅ５］ 姚国风，庄斌，赵大明，等．基于ＺｉｇＢｅｅ无线技术的智能家居 系统设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１６，２２：８１—８４． ［１］ 姜宇航．基于物联网的智能家居控制系统设计［Ｄ］．长春；吉 ［６３ 辛海亮，钟佩思，朱绍琦，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的物联网智能家居 林大学，２０１４． 控制系统［Ｊ］．电子技术应用，２０１３，１２：７９～８１＋８５． ［２］ 吴建军．智能家居系统软件设计与实现［Ｄ］．成都：电子科技 ［７］ 王泰惠．基于ＺｉｇＢｅｅ的嵌人式智能家居系统设计［Ｄ］．大连 大学。２０１４． 理工大学，２Ｏ１５． ［３］ 李强．基于￥３Ｃ６４１０智能家居网关的技术研究与设计［Ｄ］． 西安科技大学，２０１４．