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ZigBee技術支持下智能家居系統(tǒng)構建論文
0 引言
隨著電子技術在現(xiàn)實生活中的廣泛應用，智能家居應運而生。智能家居是以住宅為平臺，利用計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術將與家庭生活有關的設備結合起來，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控，它在保持了傳統(tǒng)居住功能的基礎上，提供了全方位的信息交換功能，優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境。
在智能家居中，通信網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的核心，采用無線組網(wǎng)方式使得網(wǎng)絡通信更加靈活、成本更低，其逐漸成為智能家居的主流趨勢。Zig Bee 技術是基于 IEEE802.15.4標準的一種低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡通信技術，具有強大的組網(wǎng)功能，在智能家居中運用廣泛。本系統(tǒng)設計的智能家居系統(tǒng)是通過 Zig Bee 技術組建的無線網(wǎng)絡與嵌入式 WEB 服務器通信，用戶只需通過訪問 Web 瀏覽器，就可達到對家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測和對家電設備的控制，非常方便與高效。
1 系統(tǒng)設計方案
系統(tǒng)主要包括 Zig Bee 無線網(wǎng)絡和嵌入式 WEB 服務器，系統(tǒng)結構圖如圖 1 所示。
Zig Bee 無 線 網(wǎng) 絡 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 協(xié) 議 棧Z-Stack,采用星型拓撲結構，包括協(xié)調器與終端節(jié)點[1].協(xié)調器負責組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡，接收終端節(jié)點發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式 WEB 服務器，并轉發(fā)服務器的控制命令給終端節(jié)點。終端節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調器，并接收協(xié)調器的控制命令并執(zhí)行。終端節(jié)點連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用于測量家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，連接繼電器模塊控制家用電器。
嵌入式 WEB 服務器設計是在 STM32 微控制器上移植TCP/IP 協(xié)議，通過串口與 Zig Bee 協(xié)調器通信，通過以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控網(wǎng)絡，用戶使用電腦、手機等監(jiān)控設備與終端設備交互。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 Zig Bee 無線網(wǎng)絡硬件設計
Zig Bee 模塊采用 TI 公司的 CC2530 單片機。CC2530 單片機集成了 8051 增強型內(nèi)核微控制器、RF 射頻收發(fā)器、片內(nèi)可編程閃存、8KRAM、5 通道 DMA、8 路 12 位分辨率AD 等強大功能的一款射頻單片機[2].
2.1.1 終端節(jié)點設計
終端節(jié)點測量家庭環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度、紅外感應信號、光照強度等數(shù)據(jù)，并傳遞給協(xié)調器，接收協(xié)調器發(fā)回的命令來控制家用電器 .硬件結構圖如圖 2 所示。
終端節(jié)點連接的傳感器模塊有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器。
溫濕度傳感器采用 DHT11,它是 1 款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括 1 個電阻式感濕元件和 1 個 NTC 測溫元件，并與 1 個高性能 8 位單片機相連接，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。DHT11 通過單總線直接與 CC2530 的 P1.1 引腳相連接。
煙霧傳感器采用 MQ-2,它的探測范圍廣、靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性強，可用于液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等氣體的泄漏監(jiān)測。MQ-2 與 CC2530 的 P0.7 引腳相連接。
熱釋電傳感器采用 HC-SR501 人體紅外感應模塊，它能檢測人發(fā)射的紅外線，從而判斷家中是否有人。HC-SR501 與 CC2530 的 P0.5 引腳相連接。
光照傳感器采用光敏電阻，光敏電阻使用半導體材料制作，利用內(nèi)光電效應工作，它在光線的作用下其阻值減小，在黑暗的環(huán)境里，它的電阻值增高。光敏電阻與 CC2530 的P0.1 引腳相連接。
控制模塊采用繼電器 SRD-05VDC-SL-C 來控制大功率的電器設備，繼電器與 CC2530 的 P1.5 引腳相連接。
2.1.2 協(xié)調器設計
Zig Bee 協(xié)調器負責調度各節(jié)點工作，其通過串口連接STM32單片機的USART2,在設置好相應的波特率等參數(shù)后，通過 TXD 和 RXD 引腳與 STM32 通信，轉發(fā)傳感器數(shù)據(jù)與接收控制命令。協(xié)調器與 STM32 的通信接口電路如圖 3 所示。
2.2 嵌入式 WEB 服務器硬件設計
2.2.1 微控制器模塊
微控制器采用了STM32增強型單片機STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，其工作頻率可達到 72MHz,具 有 內(nèi) 置 高 速 存 儲 器、128K 字 節(jié) 的 閃 存、20K 字 節(jié) 的SRAM、豐富的增強 I/O 端口和外設，2 個 12 位的 ADC、3 個通用 16 位定時器、1 個 PWM 定時器，還包含先進的通信接口：2 個 I2C 和 SPI、3 個 USART、1 個 USB 和 1 個CAN.
2.2.2 以太網(wǎng)接口模塊
以太網(wǎng)接口采用了 ENC28J60 芯片，ENC28J60 是帶SPI 接口的獨立以太網(wǎng)控制器，它集成了 MAC 和 10BASE-TPHY、接收器和沖突抑制電路，支持全雙工和半雙工模式，最高速度可達 10Mb/s 的 SPI 接口，內(nèi)置 8 KB 發(fā)送 / 接收數(shù)據(jù)包雙端口 SRAM,可配置發(fā)送 / 接收緩沖器大小、用于快速數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)部 DMA、硬件支持 IP 校驗和計算等[3].
ENC28J60 與 STM32 通過 SPI 接口連接，引腳連接圖如圖 4 所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 Zig Bee 無線網(wǎng)絡軟件設計
Zig Bee 網(wǎng)絡在 OSI 參考模型的基礎上，結合無線網(wǎng)絡的特點，采用分層的思想實現(xiàn)，各層從上到下分別是應用層、網(wǎng)絡層、介質訪問控制層、物理層[4].Zig Bee 網(wǎng)絡的組建主要由 Zig Bee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡層來實現(xiàn)，Zig Bee 網(wǎng)絡層為新加入的節(jié)點分配地址、提供路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等。協(xié)調器是 Zig Bee 無線網(wǎng)絡中的第一個節(jié)點，也是主節(jié)點，負責無線網(wǎng)絡的建立及參數(shù)配置[5].協(xié)調器通電后首先進行初始化，包括 CC2530 芯片初始化、協(xié)議棧初始化、串口初始化和硬件初始化等，然后調用 osal_start_system（） 函數(shù)進入操作系統(tǒng)，調用 ZDO_Start Device（） 函數(shù)啟動設備，建立網(wǎng)絡，并允許其它終端節(jié)點加入構成星型網(wǎng)絡，終端節(jié)點加入網(wǎng)絡后為其分配地址，然后接收終端節(jié)點發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，并轉發(fā)服務器的命令。協(xié)調器程序流程圖如圖 5 所示。
終端節(jié)點上電完成初始化工作后，查找是否有可加入的 Zig Bee 無線網(wǎng)絡，如果有 Zig Bee 無線網(wǎng)絡就自動加入，然后采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器，當接收到協(xié)調器發(fā)送的控制命令后，執(zhí)行控制操作。終端節(jié)點程序流程圖如圖 6 所示。
3.2 嵌入式 WEB 服務器軟件設計
Web 服務器是在嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧的基礎上實現(xiàn)的一種應用程序。軟件設計分為 3 部分：以太網(wǎng)接口芯片驅動程序的實現(xiàn)，嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn)，嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧對用戶數(shù)據(jù)進行收發(fā)處理。
實現(xiàn) ENC28J60 芯片驅動程序主要是編寫驅動文件，函數(shù)模塊包括讀控制寄存器、向以太網(wǎng)控制器寫入命令、讀取 buff 的數(shù)據(jù)、向 buff 寫入數(shù)據(jù)、讀取控制寄存器的內(nèi)容、寫入數(shù)據(jù)到控制寄存器、向 PHY 寫入控制參數(shù)、初始化以太網(wǎng)控制器、發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)、接收數(shù)據(jù)包函數(shù)。
實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議棧是在微控制器上移植 Lw IP 協(xié)議棧。Lw IP 是一個小型開源的 TCP/IP 協(xié)議棧，它體積小，占用內(nèi)存小，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用[6].移植要點是：復制 opt.h 文件到新建的 lwipopt.h 文件，并按照處理器資源與實際需求進行修改；編寫網(wǎng)絡處理文件 netconfig.c 與對應的頭文件 netconfig.h,主要是初始化 lwip 協(xié)議棧、系統(tǒng)時鐘中斷處理等；修改 ethernetif.c 文件的相關函數(shù)：網(wǎng)卡初始化函數(shù)（low_level_init）、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)（low_level_output）、接收數(shù)據(jù)函數(shù)（low_level_input）、數(shù)據(jù)輸入處理函數(shù)（ethernetif_input）。
嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧對用戶數(shù)據(jù)進行收發(fā)處理流程是：當用戶在瀏覽器中輸入 IP 地址來訪問 WEB 服務器，Lw IP 協(xié)議棧首先對請求信息進行解封裝處理后傳送到HTTP 任務模塊，HTTP 任務中的 CGI 程序對數(shù)據(jù)進行處理后選擇對應的網(wǎng)頁數(shù)組文件應答，網(wǎng)頁數(shù)組中的內(nèi)容是采用 HTML 語言編寫的網(wǎng)頁文件，最后通過 TCP/IP 協(xié)議將網(wǎng)頁文件發(fā)送到瀏覽器[7].嵌入式 WEB 服務器的工作原理如圖 7 所示。
4 結語
本文設計了基于 Zig Bee 技術的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 Zig Bee 技術組建無線網(wǎng)絡、采集環(huán)境數(shù)據(jù)并遠程無線傳送，通過串口與嵌入式 WEB 服務器通信，用戶通過任何 1臺聯(lián)網(wǎng)的電腦和手機采用 WEB 瀏覽的方式就能訪問終端環(huán)境數(shù)據(jù)，并能及時準確的發(fā)送控制命令，這種方式靈活、方便、成本低，具有廣闊的應用空間。
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