基于ZigBee技术的智能家居控制系统的设计

摘要：通过对近年来智能家居的研究，以S3C6410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：S3C6410；ZigBee；嵌入式技术；智能家居

中图分类号：TP273.5文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.015

1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。

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S3C6410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线介质构成一个整体，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，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。

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S3C6410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入到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。

3.2ZigBee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][5]。

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CSMA-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[6]。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

4.1ZigBee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。

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。ZigBee协调器的工作流程图如图3所示。

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[7]。ZigBee终端设备的工作流程图如图4所示。

4.2Android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。

参考文献

[1]姜宇航. 基于物联网的智能家居控制系统设计[D].长春：吉林大学，2014.

[2]吴建军. 智能家居系统软件设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.

[3]李强. 基于S3C6410智能家居网关的技术研究与设计[D].西安科技大学，2014.

[4]陆梦来. 基于ZigBee的智能家居网关的设计与实现[D].苏州大学，2013.

[5]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.

[6]辛海亮，钟佩思，朱绍琦，等. 基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J]. 电子技术应用，2013，12：79-81+85.

[7]王泰惠. 基于ZigBee的嵌入式智能家居系统设计[D].大连理工大学，2015.

第36卷第1期2017年3月计算技术与自动化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7第36卷第1期2017年3月算技术与自动化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7