远程智能家居ZigBee控制系统

0 引言

智能家居系统（SmartHome）最早源于欧美发达国家，是指以住宅为平台，利用现代计算机网络通讯、自动化控制技术、传感器技术、无线通讯技术、音视频技术，通过社区综合布线、社区局域网、Internet互联网，采用系统集成方式，将智能家居、家居安防、家居娱乐融为一体，逐步建立一个安全、舒适、方便、快捷的综合信息交互系统。智能家居技术的发展经历了有线方式和无线方式两个阶段。由于有线网固有的布线麻烦、可扩展性差等缺点，无线网络技术应用于家庭网络已成为必然趋势。这不仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了浪费在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通信特点。

利用无线网络技术构建价格低廉、性能可靠的智能家居系统将有重大的社会价值和巨大的商业潜力。在智能家居安防系统中需要对家居监控数据进行采集、分析和传递，因此网络通信技术是智能家居安防系统中的关键技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。它能够为用户提供机动、灵活的组网方式，非常适合于家庭控制，将成为智能家居控制技术的重要发展方向。而对于家庭网络通讯而言，传输的数据量小，在传输速率上不需要太高的要求。只需要信息的实时性好、时延短、成本低。相对于其他无线通讯技术而言，ZigBee无线模块技术是功耗和成本最低的技术之一。

1 智能家居控制系统功能

智能家居系统主要由智能终端、无线传感器网络节点、终端控制面板三大模块组成。终端控制面板通过有线方式连接家庭中各家用电器设备，无线方式接收智能终端控制指令，实现各家用电器设备的直接控制。无线传感器网络节点负责采集和传递各路监控信号。智能终端通过有线、无线方式接收来自各个设备的信息，对其分析处理，并能按预先设置的规则通过有线、无线方式发送控制指令，实现智能功能。

智能家居系统主要包括智能家电控制、智能安防、紧急求助等功能。

1.1 智能家电控制

终端有全开、全关、离家、会客、娱乐、休息等多种情景模式，业主可以预设好各个模式，只需一个触摸或遥控操作，家居环境就可以进入自己需要的模式。

1.2 智能安防

在住宅的门、窗上安装好门磁检测，对外玻璃上安装破碎探测器，主要通道及房间安装好红外探测器，并在梯口安装好监控摄像头进行实时监控。当有人在家或离家时，通过终端开启对应模式，对家庭安全设防。

若有人非法入侵时，家庭控制器发出声光报警，并通知业主及物业管理部门。厨房、客厅、卧室设置烟感、温感探测器监测所有房间有无火灾发生。如有火灾发生，发出报警信息通知业主及物业管理，并关闭所有电源，启动喷水灭火系统，最大限度降低火灾危害。厨房另设置可燃气体检测，检测燃气泄漏。

当有险情发生时，自动关闭煤气管道上的燃气阀并通知业主及物业部门。

1.3 紧急求助

当遇到紧急情况（如疾病或非法入侵）发生时，按紧急按钮向小区物业管理部门进行紧急求助报警。

2 基于ZigBee数传技术的远程智能家居控制系统硬件框架

基于ZigBee数传技术的智能家居控制系统由监控节点、网关节点、终端控制组成。监控节点和网关节点通过ZigBee无线模块组成家庭内部网络，终端控制通过电脑对家庭内部网络进行访问和控制。其中：监控节点分为温湿度ZigBee数据采集监测节点、灯光控制节点、安全监测节点；网关节点由最小系统、ZigBee通信模块组成。

ZigBee无线模块由主控芯片CC2530作为数据处理以及无线收发器；网关节点通过ZigBee模块将数据发送到控制终端。其系统结构如图一所示。

图一 远程智能家居控制系统结构示意图

3 基于ZigBee数传技术的远程智能家居控制系统软件构架

在远程智能家居控制系统中采用ZigBee数传模块实现数据的传输和处理。ZigBee协议栈是TI公司在通信中定义的协议，规定了软硬件应如何工作。

其中ZigBee协议栈分为5层，各层次功能如下：

（1）设备对象层，即ZDO（ZigBeeDeviceObject）层，提供了管理一个ZigBee数传模块节点所要使用的功能函数。ZDO为协调器、路由器和终端设备提供了应用端点的管理函数，其中包括：建立、发现和加入一个ZigBee数传网络，绑定应用端点和安全管理。

（2）应用框架层，即AF（ApplicationFramework）层，提供了针对协议栈的应用端点（End-Point1-240）和设备对象端点（EndPoint0）接口，其中主要包含：设备描述数据结构和数据收、发函数。

（3）应用支持子层，即APS（ApplicationSupportSublayer）层，为设备对象和应用实体提供了一系列的支持服务。

（4）网络层，即NWK（ZigBeenetwork）层，为上层提供了管理服务和数据服务。

（5）介质访问层，即ZMAC层，在802.15.4MAC与网络层之间提供接口。

ZigBee数传网络的构成主要由协调器节点、终端节点和路由器节点构成。如果一个ZigBee数传网络中所需节点数目较少，网络覆盖范围不大。也可只用协调器节点和终端节点来构成星形拓扑结构的网络。协调器节点和终端节点的系统流程如图二、图三所示。

图二 协调器节点系统流程图

 

图三 终端节点系统流程图

在ZigBee协议中，OSAL任务系统维持网络的正常工作。OSAL首先初始化系统，然后通过osal_add_task函数添加任务到任务列表中。通过顺序的执行任务列表中的任务来完成整个系统的运行。

在ZigBee数传模块中程序是从main函数开始的，main函数的主要功能是完成初始化，然后再进入操作系统。

Main函数代码如下：

intmain(void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL);//关闭中断

HAL_BOARD_INIT();//初始化一些相关硬件

zmain_vdd_check();//电压检测

InitBoard(OB_COLD);//初始化I/O端口

HalDriverInit();//HAL驱动初始化

osal_nv_init(NULL);//NV系统初始化

ZMacInit();//MAC初始化

zmain_ext_addr();//确定64位扩展地址

zgInit();//初始化基本NV条目

osal_init_system();//OSAL系统初始化

osal_int_enable(INTS_ALL);//使能中断

InitBoard(OB_READY);//最终初始化硬件

zmain_dev_info();//设备信息显示

osal_start_system();//任务系统（不会退出）

return0;//不执行

}

4 结束语

随社会经济和科学技术的发展，人们的物质生活水平不断提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居ZigBee数据采集控制系统也越发显得重要。家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。基于无线ZigBee数传模块智能家居的核心控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。而基于ZigBee无线模块的智能系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。