基于ZigBee 技术的智能家居系统概要设计

文/卢建伟1　崔璨2

根据智能家居的定义，利用便携移动终端和无线网络控制方式，将CC2530 构成的无线ZigBee模块、TMS320LF2407A 芯片、身份识别技术和移动3G 模块组成中央系统控制中心，通过移动终端、无线ZigBee 网络、3G 网络对智能家居各子系统进行控制，该系统可以自由添加设设备，根据要求设置场景，形成设备联动，为用户提供灵活、方便、智能的生活空间。

摘 要

【关键词】智能家居 ZigBee CC2530 3G通俗地讲，智能家居是融合了自动化技术、计算机网络技术和网络通讯技术的集成，是一种智能化、网络化的家居控制系统。本文是参考ZigBee 技术的特点，结合成熟的3G/4G 移动通信技术，设计出的智能家居系统，本系统除了基本的手动控制功能外，还可以通过组建ZigBee 无线网络，使用无线遥控器、便携移动终端设备、电话或因特网来控制管理家居设备，使得生活更加方便、舒适。基于智能家居的系统定义，设计了如下系统：

1 系统方案概要设计

本系统由便携移动终端、中央控制器、智能家居各子系统（如智能窗帘控制、智能家电控制、智能安防控制、智能灯光控制等）和通用系统设备组成。其中便携移动终端是基于IOS/Android 系统的手机或平板电脑，中央控制器是智能家居系统的核心，对各子系统的设备进行添加删除等各项管理，各子系统是具体的应用操作层，系统通用设备使子系统设备的工作范围更广，具体的系统框图如图1。系统的主要功能有：

（1）通过中央控制系统软件进行系统管理，对各子系统进行添加、设置等管理。

（2）通过监控设备或便携移动终端获得视频图像、监控信息并进行相应管理，并可在盗贼分入侵时通过短信息SMS 向用户报警。

（3）通过中央控制管理软件完成室内灯光及家电的本地控制和状态显示，如家用电器、灯光和音响的控制。

2 系统硬件设计

系统硬件设计包括中央控制系统、各监控子系统和通用系统设备的设计。

2.1 中央控制系统

中央控制控制主要功能有：（1）组建无线ZigBee 网络，做为ZigBee 网络的核心，按要求添加其他节点；并实现新设备的数据接收与控制。

（2）扮演智能网关的角色，便于移动终端设备通过Internet 进行远程访问和控制。

（3）自带成熟的3G 模块，可随时观察视频图像，传输速率高，永远在线，可以实时传输数据。

（4）当有盗贼入侵室内时，接收相应的传感器报警信息发送短信信息报警。

（5）系统单机运行时，中央控制器液晶显示当前系统运行状态，方便用户查看，并设置相应的功能键，便于手动进行相应的系统设置。

ZigBee 模块选用TI 公司的CC2530 芯片做为核心控制器，并组建相应的ZigBee 协议栈。CC2530 是标准的增强型8051 CPU，具有良好的RF 收发性能，支持支持载波监听多路访问/冲突检测，运行模式切换短，适用系统超低功耗要求。通过中央控制系统的ZigBee 协议栈，在室内组建无线星型ZigBee 网络，并将所有子系统设备添加到中央控制系统中，进而实现整体的无线ZigBee 网络控制。中央控制系统MCU 选择具有DSP 功能的TMS320LF2407A, 主频40M, 供电电压为3．3V，指令周期可缩短到25ns，提高了处理器的实时控制能力，使用芯片扩展的64K 字节SRAM用作图像的缓存。与3G模块、液晶模块、ZigBee 控制器和WLAN 相连，构成整个控制系统的核心，完成各种操作响应。3G 模块选用中兴的MG3732 模块，MG3732 支持WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE 制式，通过UART 接口直接与微处理器MCU 相连。液晶模块选用1602 液晶、与中央控制系统MCU 的通用I/O 接口相连，ZigBee模块与MCU 采用2 线接口即可实现两者间的数据双向传输。通过MCU 的LAN 端口接口接入Internet，便于进行实时数据传输，系统可靠、安全。

2.2 各子系统设计

智能家居各子系统：如智能窗帘控制器、智能家电控制器、智能安防、智能影音娱乐系统、智能灯光控制等子系统。主要功能为：

（1）通过无线网络或触摸控制开关控制窗帘的开启和关闭。

（2）远程控制家电设备的开启，如下班前通过移动终端打开空调、热水器等操作。

（3）通过电子门禁和IC 卡、红外微波设备构成安防系统，有非法入侵时进行声光报警。

（4）可根据室内环境和温度，系统选择相应的背景音乐。

（5）通过灯光控制实现调光调色，并可结合窗帘控制器实现场景联动。在在这里我们以智能灯光控制和窗帘控制器为例。中央控制系统将上位机下达控制指令通过ZigBee 网络发送至各子系统控制器实现，不同的子系统控制的识别码是不同的，子系统通过识别码来确认是否响应中央控制器的指令。在这里，窗帘控制器采用钢化玻璃触摸开关和ZigBee 控制无线控制相结合的方式，即可手动操作，也可无线控制。系统采用市电供电，通过开关电源降压到12 伏，整流后采用LDO HT7550 将12V 电压稳压到5V 给整个电路供电。触摸芯片采用国产的ADPT008, 有8 个独立的电容触摸通道。窗帘控制器芯片采用通用的PIC16f690 单片机，采用4M晶振，芯片的10 脚、12 脚数据接收发送端与ZigBee 模块的数据端相连，传输数据。灯光控制系统分为单火线控制器和零火线控制器，提供两种接线方式供用户选择，单火线控制器系统采用MO3023 可控硅光耦隔离控制晶闸管BTA12-600SW导通与截止来点亮和熄灭灯。零火线控制器通过MCU 控制继电器的打开和闭合来点亮和熄灭灯，最终通过ZigBee模块连接中央控制器。

同时灯光控制器和窗帘控制器通过ZigBee网络联动形成场景控制，提前设定好相应的场景，通过场景控制器触摸开关同时控制灯光和窗帘的开合。两样，也可以与智能影音娱乐系统结合起来。

2.3 通用系统设备

这里通用系统设备主要指红外转换器，智能开关、智能中继器、智能红外插座，如智能红外插座是通过Zigbee 模块与中央控制器通信，可远程控制接入插座的电源开关，并通过学习相关家电的红外信号实现远程控制家电的功能。智能插座的核心控制部分采用STC 系列单片机STC11F04E,MCU 接收到网关的控制指令后，发送相应的空调控制指令给红外模块。红外模块采用一体式下载型学习模块，学习遥控器按键，并接受MCU 发送的控制指令向外发送红外信号。

3 系统软件设计

系统软件设计原则上每在中央控制器上添加一个或一类子系统设备，就需要一部分的软件程序，在这里我们系统组成图，系统软件设计主要包括以下几个部分。分别是基于IOS/android 的移动终端控制程序设计、中央控制系统管理程序设计、CC2530 协议栈程序设计、各子系统控制等程序设计。

3.1 中央控制器程序设计

首先进行系统初始化，进行初始参数设置，对各子系统进行查询和巡检，查询各子系统的工作状态，判断各子系统是否工作正常，如不正常进行错误提示并进一步对错误的子系统进行进一步设置。如系统各部分都正常工作，刚中央控制器等待用户操作或根据子系统传递的信息进行相应操作。

3.2 通用设备智能红外插座程序设计

首先上电初始化：进行MCU 的初始化，驱动继电器使插座通电；中断等待接受网关指令。假设控制器收到网关打开空调的指令，则发送相应的红外控制码发送至红外模块，并返还控制成功的指令给网关，之后继续中断等待网关指令。

4 结束语

本文通过ZigBee 技术和最新的移动3G/4G技术相结合实现的智能家居，进行初步的概要设计，本系统基本实现了智能家居的必备功能，搭建好了基础框架，是切实可行的，但在实际的开发过程中仍需要结合新技术、新的需要和具体应用去开发产品，在此基础上扩充和完善智能家居的系统功能。

参考文献

[1] 王凯明. 智能家居系统的研究[D]. 西安科技大学,2005.

作者单位

1 郑州大学　河南省郑州市　450001

2 西安理工大学　陕西省西安市　710048__