基于ZigBee的无线智能家居控制系统的设计

周一兵  刘宪鹏  凌筱清

摘要：本文将ZigBee技术应用到智能家居系统中，提出了一种以ZigBee技术为基础的智能家居系统设计方案。该系统以STM32F103VCT6为控制核心，选择了合适的ZigBee模块进行硬件电路设计，实现对家居环境的检测与控制。结果表明，该系统运行稳定，具有广泛的应用前景。

关键词：智能家居  ZigBee  嵌入式系统

一、引言

随着人们生活水平的提高以及计算机技术、通信技术和网络技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。在智能家居控制系统中，采用无线网络技术可以解决有线网络布线麻烦，网络节点多，使用电缆数量庞大等问题，更符合家庭网络简洁性、灵活性、模块化、扩展性及独立性的通信特点，将无线网络技术应用于家庭网络己经成为主流趋势。本文结合实际设计了一种家居无线控制系统，并对其进行了实现。

二、系统设计的结构与功能

本文构造了一个基本的智能家居系统，功能具体描述如下：

（1）安防功能。目前家庭安防系统主要功能是监控非法闯入和门的开关等。一旦出现问题事件，系统会自动发出相应的信号给主控制器，及时通知用户有情况发生。

（2）家电控制。对家电实行智能控制，用一个便携的触摸屏控制器就可以控制家里的任何电器，包括电视机、冰箱、空调、电脑等，还可以实现定时开关电器等功能。

（3）灯光控制。根据不同的室内自然光强度，可以智能地调节发光强度，外加的光敏控制元件可以感测外而光的强度，并且根据实际设定的要求自动调节光照强度。

智能家居控制系统依靠一个控制中心来对整个家居进行控制，使用ZigBee技术组建了一个无线传感器网络作为各个功能部件之间的数据传输和控制的枢纽。控制信号通过遥控器发送到控制中心，控制中心接受控制信号进行分析处理发出控制命令到各个开关并接受反馈信号将信号显示在显示屏上。

三、系统的硬件实现

本文设计的无线智能家居控制系统的硬件结构主要是由控制中心，ZigBee模块，显示模块，电源模块等部分组成，其硬件结构示意图如图1所示。

图1  系统硬件结构示意图

1、控制中心

控制中心选用了STM32 F103VCT6微处理器，该处理器采用了ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该芯片集成性高，低功耗，接口丰富，是整个智能家居系统的核心。STM 32通过ZigBee无线通信网络收发信号对家居生活中的各种电器进行控制和检测，同时提供防火强功能防止外界对系统的干扰和恶意破坏。同时还可以根据实际需求，外接多种输入信号，以满足不同的控制需求。

2、ZigBee通信模块的设计

本智能家居系统设计采用由挪威Chipcon公司设计的一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品是无线收发器CC2430。无线收发器CC2430是一种射频发射芯片，采用。18pmCMOS工艺制造，工作电流损耗为27mA，接收和发射模式时损耗甚至更低。它自带射频（RF）收发器，集成一个加强型8位8051MCU，8 KBRAM，32/64/128 KB的Flash内存、ADC模/数接口、动态内存存取DMA、看门狗程序等。在本设计中CC2430工作在2.4GHz频段（全球），采用低电压（3.3V）供电，且功耗低（发送模式时为25mA，接收模式时为27mA）、具有较强抗干扰性和优良的无线接收灵敏度，最大传送速率可达到250kbps，只需接极少外部元件。

由CC2430核心处理器、无线收发模块、各类传感器、各类I/O接口电路和供电模块组成了ZigBee模块如图2所示。该模块将家庭中的各种电器连成网络，对用电设备如冰箱、洗衣机、电灯、电视、空调等的工作状态进行调节最大限度的节省能源，对家居环境中的温度、湿度、有毒气体含量、门窗关闭进行检测保证居住的舒适与安全。

图2  ZigBee模块结构示意图

本文所构造的基本智能家居控制系统，采用ZigBee星形结构，包括一个协调器和若干终端设备。结构拓扑较为简单，路由方案简单，无需其他路由信息，所有数据包均通过唯一的协调器中继。因此该网络只具有两类网络节点：一类是主节点，一类是分节点。在星形拓扑结构网络下，只允许主、分节点间通讯，而不能进行分节点间通信。

3、显示模块

显示模块选用3.2寸TFT真彩触摸屏模块，功耗低，支持8/16位总线接口，镜面屏，超高高度，模拟I/O控制，彩屏模块上配置A D S 7843触摸控制器，支持一个SD卡（SPI方式），支持一个SPI的DA TA  FLASH，构成人机交互图形界面并且显示当前时间、日期、温度、湿度、门窗关闭情况，有毒气体含量等反馈信息。

四、系统的软件实现

整个智能家居控制系统以STM 32微处理器为控制核心，支持C语言与汇编语言混合编写。底层驱动由汇编语言编写，对外采用C语言接口，人机交换采用Linux嵌入式实时操作系统。该系统软件山系统主程序、初始化子程序、ZigBee通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序等模块组成，主程序实现流程图如图3所示。

图3  系统主程序流程图

五、结束语

针对我国智能家居快速发展的需求，本文将ZigBee技术引入了传统的智能家居系统。使用了ZigBee的无线智能家居系统放置灵活，节省了传统智能家居系统的安装布线成本，同时可靠性也进一步加强，将会有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M]。北京:北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 夏丽娜，夏章龙，钟毅.基于 CC2430的无线水平测量仪研究[J]武汉理下大学学报，2009,31(24)

[3] 瞿雷，胡咸斌ZigBee技术及应用[M]。北京:北京航空航天大学出版社。2007

[4] 王水红，徐炜，郝立平.STNI 32系列ARM  C ortex-M 3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

作者单位：南通广播电视大学技术中心