基于ZigBee的智能家居控制系统的设计①

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.02.001

2017 NO.02

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION7

科技资讯

基于ZigBee的智能家居控制系统的设计①

徐磊 徐霄瀚 王强*

(苏州大学应用技术学院 江苏苏州 215000)

摘 要:随着科技的发展和人民生活水平的提高,智能家居的应用日益广泛。智能家居不但具有传统意义上的居住功能,更为重要的是为人们提供一个安全舒适的家庭生活空间。智能家居通过智能系统为人们提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交流畅通,不但为人们有效合理地安排了时间,增强家居生活的安全性,而且可以节约各种能源费用。该文介绍，无线通信ZigBee技术可对智能家居进行控制,使其具有低成本、低功耗的特点，能够实现安防监控、室内环境检测、手机APP监控等功能。关键词:智能家居 ZigBee 低功耗 APP监控中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)01(b)-0001-02随着经济的发展,生活水平的提高,生活节奏的加快,设计一种智能化的居住环境可以为人们的生活提供各种便利。同时,人们也渴望一种智能化的居住环境,保证生活的安全性、快捷性便利性。智能家居融合了无线传感网络技术和计算机技术。该文介绍，智能家居控制系统采用了ZigBee技术。系统的架构和总体设计为:通过ZigBee技术,使用CC2530作为无线传感网络节点的核心芯片,CC2530连接传感器,构成节点。节点之间采用星形网络拓扑结构,组成智能家居传感网络。节点设备可以对家居环境内的状态信息进行采集和数据预处理。该系统虽然不足以反映现代智能家居系统的全貌,但是在某些方面体现出智能家居的方便性和实用性,以及其广泛的应用前景。

电待机模式下,2节干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是ZigBee的最突出优势之一。相比较而言,蓝牙能工作数周，WiFi可工作数小时。(2)低成本,而且ZigBee免协议专利费。(3)低速率,能够满足低速率传输数据的应用需求。(4)近距离,传输范围一般在10～100m之间,在增加发射功率后,能够增加到1～3km。(5)短时延,ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms。(6)高容量,最多可组成65000 个节点的大网。(7)高安全,ZigBee提供了三级安全模式。

ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需求,因此选择ZigBee技术作为智能家居的无线网络系统。

2 智能家居无线网络系统

1 ZigBee技术简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它的特点是近距离、低功耗等，主要适用于自动控制和远程控制等领域,同时可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee的特性如下所示:(1)在低耗

该系统以家庭为单元进行设计安装,每个家庭都需要安装一个家庭网关以及若干个ZigBee子节点。在家庭网关和每一个节点上都安装一个无线网络收发模块,通过这些无线网络收发模块,数据在网关和节点之间进行传送，再通过上位机或者手机进行远程监控。其系统组成如图1所示。

该次设计的监控系统采用目前市场上较为流行的手机APP进行实时监控。不仅开发时的安装及调试十分便利,而且用户操作也非常方便。另外通过硬件的设计制作出模拟的智能家居系统，再将智能家居系统中检测到的参数传输到手机APP中。在模拟时,通过串口调试工具可以实时显示各个传感器信息。

该次设计的主要功能分为3个方面:安全性、智能性和快捷性。安全性方面需注意以下几点。(1)对厨房的天然气泄漏进行监控。(2)对家庭内进行火灾监测和预防。(3)对厨房和卧室的烟雾进行监控。(4)通过热释红外来识别门的状态。

(5)通过手机APP对上述参数进行实时监测。智能性方面需注意以下几点。

图1 智能家居系统图

①作者简介:徐磊(1994,8—），男，汉，江苏镇江人，本科,研究方向:无线传感网技术。

通讯作者:王强(1985,11—)，男，汉，河南巩义人,硕士研究生,实验师,研究方向:无线传感器技术,电子技术,信号处理,E-mail:

wayne1024@163.com。

(下转3页)

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION1

科 技 前 沿

换数据、传输命令等;SPI通信为点对点的通信。2.4 声光报警与电源模块

该系统采用LED灯与蜂鸣器进行声光报警。当现场的二氧化硫浓度超出预设警戒值值时,MSP430G2553通过I/O端口输出高电平,三极管工作在饱和状态,发光二极管导通,同时蜂鸣器工作从而实现声光报警[5]。

2017 NO.02

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION7

科技资讯

4 结语

该文设计了基于MSP430G2553单片机的低功耗高性能的二氧化硫环境监控系统,可以对大气中的SO2含量进行实时监控,具有浓度超限报警等功能。在该系统中,通过无线通信模块可以实现对周围环境高效实时的智能监控。该系统具有体积小、功耗低、灵敏度高、易携带等优点,在实际应用中前景广泛。可满足工矿企业或环保部门等单位对二氧化硫的监测需求;还可应用于监测室外空气质量,为户外运动提供参考。此外,该系统可以适当调整传感器的类型进行其他有害气体的监测,获取更多的环境参数,具有良好的通用性。

3 软件设计

C语言可读性强,移植性好,通用性强,非常适合MSP430单片机的开发。该系统软件编程部分主要使用C语言完成程序设计[6]。软件程序主要包括主程序、初始化程序和无线模块程序三部分。3.1 MSP430的初始化

系统软件设计中,为了尽量减轻负担,使有更多的时间来处理有用的运算,同时为了减小电路的功率损耗,MSP430G2553全部功能都使用中断方式实现。主程序不做过多的工作,只进行一些必要的初始化,然后开中断,之后系统进入低功耗循环模式,并等待中断,一旦中断信号出现,系统立即停止循环,从低功耗模式唤醒,进行中断响应,中断结束后再次返回低功耗循环模式。3.2 无线模块程序

无线通信模块由现场数据发送端和PC终端接收两部分组成。无线模块主要实现的是对数据的收发功能。具体流程如右所示:传感器采集到现场数据处理后送入MSP430中,完成信号的采集、AD转换、液晶实时显示[5],然后把数据打包通过接口送入CC2430。无线模块CC2430接收从现场传来的数据,传送到上位机(PC)上。每一个监测点的CC2430都有一个唯一对应的ID号,实

现点对点的数据收发功能[6]。(上接1页)

(1)使用雨水传感器来控制窗户的开关。(2)使用光敏传感器来控制窗帘的开关。(3)使用光敏传感器来控制电灯的亮灭。(4)使用温度传感器来模拟调节空调的模式。(5)使用温湿度传感器来控制加湿器工作。(6)通过手机APP对家庭中各种设备进行控制。快捷性方面需注意以下几点。

(1)将智能家居系统中检测到的参数传输到手机APP中。(2)通过手机APP观察家中各种用电设备的工作情况。

参考文献

[1]姜进,王鑫,杨慧中.基于MSP430单片机的无线环境监测系统

的设计[J].江南大学学报：自然科学版,2011(1):45-48.[2]褚超群,陈松,刘志杰.基于MSP430的一氧化碳报警系统设计

[J].中国科技信息,2014(1):110-111.

[3]逄淑松,程凯,刘光发,等.MSP430G2553单片机超低功耗的研

究与设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(4):1-2.[4]王晓明.无线二氧化硫传感器的网络节点设计[J].单片机与嵌

入式系统应用,2010(9):32-35.

[5]冯琛皓,刘瑞安,罗晨娴.基于MSP430MCU的无线低功耗智

能环境监测系统设计[J].硅谷(高科技产品研发),2014,145(1):12-13.

[6]邹小平,郭昌飞,张荣荣,等.基于CC2430单片机的无线传感

器网络节点:CN203675336U[P].2014.

将进一步从单一的产品销售转变为提供系统集成服务和整体的解决方案,能够实现从传统零售业向现代服务业的转型升级。在现代家庭中,人们对个性化的需求越来越强烈,DIY智能化设计将引领智能家居。智能家居作为一个新型产业,目前处于一个导入期与成长期的临界点,市场消费观念还未形成,但随着智能家居市场推广普及的进一步落实,倘若培育起消费者的使用习惯,智能家居市场的消费潜力必然是巨大的,产业前景光明。智能家居的未来发展,主要是在基于多个领域新技术的基础上,不断弥补和改进目前智能家居系统的缺点和不足,使得智能家居系统更加完善、功能更加强大,进一步提高智能家居的舒适性和安全性。

综上所述,该文通过无线通信ZigBee技术对智能家居进行控制的介绍,展示智能家居在现代生活中的必要性。

3 智能家居发展现状及未来趋势

智能家居理念虽然在很早就已经进入中国老百姓的视野,但是由于我国网络信息技术的局限性,智能家居一直没能得到很好的推广和发展。综合多种因素,总结出限制我国智能家居发展的原因有如下几点:(1)未能制定出一套合理可行的行业规范标准;(2)跨产业合作不足和社会合作不够完善;目前我国的社会服务体系尚未健全,缺乏相应的供应链和接收链,网络家电难以应用于整个社会的服务。 我国智能家居未来发展将以实现“大家带小家”的发展模式，

实现安装满足符合中国家庭实际需要的智能系统以及实现高效、节能、环保的智能家居模式为目标。

参考文献

[1]邱凌.浅谈智能家居[J].网络信息技术应用与自动化,2008(5):

1-2.

[2]周怡.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］．自动化仪表,

2005,26(6).

[3]王权平.ZigBee技术及其应用［J］.现代电信科技,2004(1):33－37.

[4]高小平.中国智能家居的现状及其发展趋势[J].电器与能效管

理技术，2005(4):18-21.

[5]杨诚,聂章龙．ZigBee网络层协议的分析与设计[J]．计算机应

用与软件,2009,26(12):219-221.

4 结语

伴随着互联网技术的应用以及系统解决方案实施,智能家居

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION3