王宁　王磊　赵海燕

1 引言

智能家居系统是计算机技术、网络技术和通信技术的综合应用，同时也是绿色建筑技术中智能化系统研究的一部分。家居控制系统中软件相对比较稳定，而硬件和通信技术是直接决定家居控制效率和稳定性的主要因素，因此对于硬件和通信技术的实践被广泛开展，当前主要应用WiFi技术比较多，对于ZigBee技术和CC2530模块的应用研究有限。

ZigBee技术作为一种新的通信技术，以其短距离、低功耗和速度快的优点迅速得以应用，ZigBee采取了IEEE 802.15.4的无线物理层所规定的全部优点，在家用系统控制、楼宇自动化和工业监控领域应用日益广泛，具有广阔的市场空间。

2 主要研究内容和创新点

本系统采用计算机网络、通信技术结合软硬件开发平台对智能家居对象控制技术进行研究并进行模拟仿真，围绕着几项内容进行研究：CC2530芯片、红外模块、传感器和继电器的硬件结构、工作原理和应用；传感器和继电器技术及其应用；ZigBee无线网络传输技术和射频芯片应用；相关辅助开发软件的应用（硬件驱动和硬件处理软件、软件开发平台）；图像处理技术等。预期目标是以单片机CC2530嵌入式芯片为控制核心，并利用传感器技术、无线网络传输技术、射频技术等设计和模拟开发智能家居控制系统。

系统的主要创新点包括三方面。

（1）技术创新。采用ZigBee技术和红外技术相结合的方式对硬件进行控制，使软硬件技术结合的更加紧密，应用更加充分；实现了电视机和灯光的控制，结合多种传感器，实时采集温度、湿度等数据信息并实时显示，并配以闪烁灯和蜂鸣器预警功能。

（2）应用创新。开发过程中，可以生产有价值的中间价。采用VS2012作为开发平台，C#作为开发语言开发的手机APP可以作为中间件进行学习和二次开发。通过应用CC2530模块、ZigBee技术、红外技术和传感器等进行家居控制的开发可以对硬件和技术有更深的认识。

（3）理论创新。智能家居的控制可以有多种可行性理论，系统采用CC2530、ZigBee技术和红外技术的组合目前已经有所应用，但是在开发过程中，可以进行多次试探性实验，有时会有意想不到的效果和收获，这些资料可以保留下来，为继续开发提供参考和开发灵感。

3 系统实现原理

3.1 系统实现原理

系统分别采用C#和JAVA开发电脑和手机APP；采用IAR8.10作为硬件开发平台，C语言作为开发语言，结合ZigBee协议栈程序、仿真器驱动和USB转串口驱动、硬件烧写程序Smartrf Flash Programmer进行代码的开发和下载更新；系统采用CC2530模块和红外模块，结合烟雾、人体红外、温度、光敏和湿度等多个传感器，应用无线通信技术ZigBee和WiFi实现了模块的连接和信息通信，通过客户端APP操作平台，实现对灯光、温度、湿度、电视机和电风扇等家居用品进行智能控制。最终实现了对灯光的开关进行无线遥控；动态采集温度和湿度并实时显示，若所收集的数值超过预设数值时会报警；通过红外技术和无线技术的结合，可以通过手机和电脑实现对电视机、机顶盒和电风扇的控制。系统的实现原理图如图1所示。

3.2 家居子对象实现原理

系统各个模块的运行过程为：传感器接到相应ZigBee模块→无线把数据发送给协调器模块→串口→PC→Socket通信→安卓系统。

（1）灯光控制原理。协调器以关闭的方式建立网络→终端以向协调器单播的形式加入网络→按终端模块的S1按键，无线发送信息给协调器→协调器收到按键信息后，交替亮灭。

（2）温湿度实现原理。调器以广播的方式建立网络→终端以向协调器单播的形式加入网络→终端周期性调用测温湿度并无线发送给协调器函数，向协调器无线传送温湿度数据→协调器接收到温湿度数据后，通过串口传输给电脑，在电脑界面APP程序中显示出来。

（3）光敏实现原理。协调器以广播的方式建立网络→终端以向协调器单播的形式加入网络→终端周期性调用测光强并无线发送给协调器函数，向协调器无线传送光强数据→协调器接收到光强数据后，通过串口传输给电脑，在电脑界面APP程序中显示出来。

（4）人体红外实现原理。人体红外终端→无线→ZigBee协调器→串口→PC界面程序显示是否有人。

（5）继电器实现原理。PC-串口→ZigBee协调器→无线→ZigBee终端节电器开合。

综合分析系统软硬件功能，系统功能模块图如图2所示。

4 网络构建

4.1 芯片选型

ZigBee网络中硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器在无线收发模块的协助下完成ZigBee网络的组建与控制、数据采集与处理以及ZigBee协议栈的正常运行等工作。经过分析，根据成本与操作可行性等因素选择了具有微处理器模块和无线收发模块功能的单芯片CC2530。CC2530在网络硬件平台中的功能包括三方面：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过I/O口控制相应主机。另外，传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连；通过RS232接口可实现网络节点与PC机的通信。为了指示网络节点的运行状态，在硬件设计中加入两个状态指示灯，使用220欧的限流电阻分别接在微处理器芯片的P10和P11口，用于指示设备入网、退网等状态以方便开发人员观察。

4.2 家居对象控制子网的构建

4.2.1家居对象主节点

家居主节点作为协调器处于ZigBee网络的最上层，其功能较为复杂。一方面它负责家庭内部网络的建立，包括系统初始化、地址的分配、网络的建立、成员的加入、节点设备数据的更新和数据转发表等工作；另一方面，它作为家庭网关和设备节点之间的桥梁，完成家庭网关和家居设备节点的通信。系统上电后，家居主节点首先选择一个空闲信道，采集活动节点的信息，并为其分配一个唯一的节点编号，完成系统地址表的初始化；在系统运行过程中，家居主节点要与多个设备节点进行通信，并对它们进行相应的控制；家居主节点能够发现网络拓扑结构和节点状况的改变，如设备节点的拆除和插入，更新、休眠和唤醒等功能以实现网络的自组织功能。

4.2.2家居对象子节点

家居对象子节点在ZigBee网络中作为终端设备，由ZigBee通信模块、执行器、传感器和继电器等共同构成。ZigBee模块在智能家居系统中以无线通信的方式组建网络，设备节点负责监测一定范围内的环境状况、收发信号并进行数据处理。设备节点的终端对象主要包括环境灯光控制、温湿度监测、家电控制、控制和报警信号采集等节点。设备节点主要包含射频收发模块和传感以及两者之间的接口控制，射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各个节点设备的无线连接及信息的收发。系统的终端传感主要负责环境温湿度、火灾或有毒气体或非法闯入等意外情况的探测和信息采集以及对各种家居的控制。终端节点在网络组建完成后即可关闭收发器而进入节电模式，开始离线工作，但这并不影响网络的连通性。

4.2.3 ZigBee子网通讯

家居主节点通过建立起来的ZigBee网络向远端的家居设备节点发出请求帧来查询或者执行命令，指定的家居设备节点收到正确的数据帧并完成指定操作之后会自动返回一个应答帧告知其执行的结果。为了使设备能够识别出发送给自己的信息的含义，家居设备节点和家居主节点必须遵循统一的通信协议。家居主节点对家居设备节点的操作有两种，一种是查看设备节点的状态，另一种是对设备节点进行功能性的操作。

4.3 家庭网关的构建

ZigBee无线通信技术完成了家居对象控制网络的组建，但是用户一旦离开家便无法了解家居对象的状况和对家居设备进行远程控制。因此，家庭网关充当了家庭控制网络和外网的接口，它既可以与家庭内部的子网设备进行通信，也可以与外部Internet进行通信，它可以将外部网络中发送的控制命令通过家庭内网传递到相应的家居设备。家庭网关应具备具有控制接口和协议转换两个主要功能。家庭网关是由硬件和软件共同组成，家庭网关和家居主节点之间使用串口连接，通过PC支持多种设备接口进行网络支持，能很方便地实现控制和网关功能，还可以根据实际需要定制软硬件和接口，从功能、可靠性和成本等各方面考虑更适应智能家居系统。如果传感器电压过低，它可能会输出错误信息，因此家庭网关必须监测设备节点的电量，发现节点电量低时应发出相应警报、拆除该节点并将相应的信息发送给远程控制终端。

5 系统测试及实现

5.1 系统配置注意事项

（1）系统软件的开发和运行环境为Win7、64位的电脑，在此基础上调试运行并打包发布的，因此若不是此系统配置，需要重新运行开发环境并进行系统配置。

（2）系统开发的手机客户端需要运行在Android 2.2以上的版本上。

（3）由于CC2530开发板的空间问题，多个传感器（温度、湿度、烟雾和光敏传感器）在安装的时候需要部分弯曲，要注意力度。

（4）仿真器：硬件的程序需要通过仿真器去连接下载到相应的硬件中。

（5）电视机的机顶盒和电风扇：必须是带有遥控功能。

（6）安装IAR8.10、zigbee协议栈——Zstack-251A、Smartrf Programmer、仿真器驱动Smartrf04EB和USB转串口驱动等软件。

5.2 系统测试及结论

系统测试包括硬件、软件和通信三部分，系统部分硬件连接图和整体连接图，如图3和图4所示。硬件连接后开启网络和各个硬件的开关，经过测试实现了温湿度、光敏、烟雾和人体红外信息的实时采集和显示，超出预设值蜂鸣器会预警提示；实现了电视机、机顶盒和风扇的开关音量和风力的控制。另外，该系统参加了2015年天津市物联网创新与工程应用设计竞赛并获得了二等奖。智能家居控制技术因其昂贵的价格和后期维护费用一直使人们望而怯步，但随着人们生活水平的提高，已经有一些住宅安装了家居智能控制系统，并且家居智能化会是将来房地产装修的主要发展方向。

参考文献

[1] 刘纯天.在无线智能平台上的家居控制网络设计[J].北京：产品开发与创新，2010（9）.

[2] 郭伟然，汤勇明.面向ZigBee技术的教学实验平台[J].南京：电气电子教学学报，2014（1）.

[3] 蔡利婷.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].西安：计算机技术与发展，2012（11）.