基于ZigBee技术的智能家居系统

桂林电子科技大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　ｙｇｙ　　Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．３

Ｊｕｎ．２０１２　

基于ＺｉＢｅｅ技术的智能家居系统ｇ

戴祥南，袁纵横，江志强

（）桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林　５４１００４

摘　要：针对传统智能家居系统总线方案布线繁琐、成本较高，提出了基于ＺｉＢｅｅ技术的无线解决方案。运用Ｚｉ－ｇｇ实现了红外收发、电动窗帘、灯光开／关的自动控制，解决了传统总线方案的不足。Ｂｅｅ无线通信技术，关键词：总线方案；无线解决方案；智能家居系统ＺｉＢｅｅ技术；ｇ

）中图分类号：ＴＰ３６８　　　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：１６７３８０８Ｘ（２０１２０３０２０００４－－－ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＺｉＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　　　　ｙｇｇｙ

，Ｙ，ＤａｉＸｉａｎｎａｎｕａｎＺｏｎｈｅｎＪｉａｎＺｈｉｉａｎ　　ｇｇｇｇｑｇ　

（，Ｇ，Ｇ）ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　ｇｇｙｇｙ　　

：，ｗＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｓｔｅｍｂｕｓｗｉｒｉｎｉｓｃｏｍｌｉｃａｔｅｄａｎｄｈｉｈｃｏｓｔｉｒｅｌｅｓｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎ　　　　　　　　　　　　　ｙｇｐｇ　，ＺｉＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｉｓｕｓｉｎＺｉＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｒｏｏｓｅｄ．Ｂ　　　　　　　　ｇｇｙｇｇｇｙｐｐｙ　　　，，ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｔａｉｎａｎｄｌｉｈｔｏｎｏｒｏｆｆａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｌａｃｋｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂｕｓｗｉｒｉｎｉｓｓｏｌｖｅｄ．　　　　　　　　　　　　　　ｇｇ　：；；ｗ；ＫｅｗｏｒｄｓＢｕｓＺｉＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｉｒｅｌｅｓｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｓｔｅｍ　　　　ｇｇｙｙｙ　

　　传感器网络

［１］

、无线通信技术以及家庭计算机是使其越来越多地被应用于智能系统中。当前常用的、３种无线短距离的通信技术为：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉＢｅｅｇ。３种无线短距离通信技术的网络节点数、能ＷｉＦｉ－耗、传输速率、通信距离、工作频率、激活时间等技术

［］

指标比较如表１所示。Ｚ低ｉＢｅｅ５标准具有低功耗、ｇ

智能家居系统设计的核心。传统的智能家居应用大都建立在有线组网方式上，随着无线通信技术的发展，无线技术的应用使家居节点的安装、移动及维修更为方便，相对传统的有线组网方式更有优势，适合应用到智能家居系统中。基于ＺｉＢｅｅ技术的无线近ｇ距离通信的智能家居系统，设计了智能家居的概念框架、系统软件平台以及红外收发（电视机、空调的控、、制）灯光（开／关、亮度调节）窗帘自动化等功能节点，实现管理控制中心对传感网络的终端节点的家居功能的控制。从应用角度阐述了基于ＺｉＢｅｅ技术的ｇ

２］

。无线通信智能家居系统的现实意义［

低速率、近距离、短时延、高容量优势。成本、

、表１　ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＺｉＢｅｅ和Ｗｉｉ的比较－Ｆｇ，Ｔａｂ．１　ＣｏｍａｒｉｓｏｎｏｆＢｌｕｅｔｏｏｔｈＺｉＢｅｅａｎｄ　Ｗｉｉ　　　－Ｆｐｇ

技术指标网络节点能耗

－１）（·ｓ传输速率／Ｍｂｉｔ

ＺｉＢｅｅｇ６４０００　　低２５０　１０～７５　２．４　０．１２５　

蓝牙７　较高１　１０　２．４　３　

Ｗｉｉ－Ｆ３２高１１００２．４３

１　ＺｉＢｅｅ技术ｇ

１．１　无线短距离通信技术

］３４－无线网络技术［的灵活安装及可移动性特点，

通信距离／ｍ　工作频率／ＧＨｚ　设备激活时间／ｓ　

收稿日期：２０１２０２２３－－，：通信作者：袁纵横（男，贵州贵阳人，教授，研究方向为光电信息处理、光电测量技术以及光子晶体的应用。Ｅ１９５９－）ａｉｌｕａｎｚｏｎｈｅｎｓｉｎａ．ｃｏｍ－ｍ＠ｙｇｇ］（）：引文格式：戴祥南，袁纵横，江志强．基于Ｚ桂林电子科技大学学报，ｉＢｅｅ技术的智能家居系统［Ｊ．２０１２，３２３２００２０３．－ｇ

第３期　　　　　　　　　　　　　　　　戴祥南等：基于ＺｉＢｅｅ技术的智能家居系统ｇ２０１

ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作小组制定了一种低数据传输速　／、率最大不超过２工作在２．５０ｋｂｉｔｓ４ＧＨｚ频段的无线近距离通信协议标准，它被广泛用在个域网和企业

［］６］

。Ｚ各种信网络［ｉＢｅｅ５遵循ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范，　ｇ

充当网络协调器主节点。在星型拓扑结构的网络中，协调器主节点担负起网络建立和维护的责任，该节点位于该网络的中心，其他设备分节点围绕其进行通信。智能家居系统也采用了该种拓扑结构进行组网。

息可在传感节点设备之间相互通信。这些传感节点设备平时处于休眠状态，当有信息要传输时也只需要很低的能耗，以接力的方式将该信息逐个传输，通信效率极高。ＺｉＢｅｅ协议是全球开放的无线通信标ｇ

７］，准［主要应用于工业控制系统、医疗系统以及智能

２　智能家居系统

组建了Ｚ即以一个协调器主节ｉＢｅｅ星型网络，ｇ点作为整个方案的中心，以多个精简功能设备作为终端节点，组成该网络。本系统的解决方案分为３个部分：协调器主节点、终端设备分节点、家用个人电脑。其中，协调器主节点负责建立通信网络，可与终端设备分节点和Ｐ是整个系Ｃ端的上位机进行通信，统的核心。终端设备分节点负责信息的采集和应用功能的执行以及信息的返回。该系统结构如图１所示。协调器主节点通过无线射频方式与终端设备分节点进行通信，通过串口传输方式与个人电脑进行通信。

家居系统等。１．２　ＺｉＢｅｅ设备ｇ

组成Ｚ全功能ｉＢｅｅ网络的设备类型有２种：１）ｇ设备，它具有网络协调者或者网络路由器的功能；２）精简功能设备，它只作为网络的终端设备节点。１．３　ＺｉＢｅｅ网络拓扑结构ｇ

星型、树型和网状ＺｉＢｅｅ网络有３种拓扑结构：ｇ

拓扑结构。１个ＺｉＢｅｅ网络中仅有１个全功能设备ｇ

图１　智能家居系统结构Ｆｉ．１　Ｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　ｇｙ

２．１　ＺｉＢｅｅ协调器ｇ

协调器主节点的内核是符合增强型工业标准的８０５１微处理器。协调器主节点采用的是内部集成了无线收发前端的Ｚ只需简单添加ｉＢｅｅ芯片ＣＣ２４３０，ｇ少量的外围器件即可进行无线射频通信。这样，通过８０５１微处理器实现了协调器分节点与终端设备分节点之间的通信。２．２　ＺｉＢｅｅ终端ｇ

由于终端设备分节点和协调器主节点一样，都统

一安装了Ｚ只需按照ＺｉＢｅｅ协议，ｉＢｅｅ协议规定的ｇｇ数据帧格式，把数据帧传送给协调器主节点，协调器主节点按照同样的规范进行数据的解析。终端设备分节点的核心采用ＣＣ２４３０芯片。

３　系统硬件设计

］８９－。系统包括家庭网关和终端分节点应用模块的设计［

３．１　家庭网关的硬件电路

家庭网关内核采用ＴＩ公司的ＣＣ２４３０芯片。由

２０２桂林电子科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１２年６月

于应用程序比较大，需对ＣＣ２４３０的存储容量进行扩展，以达到存储更多数据的目的（如红外脉冲码数。铁电存储器（））据）与协调器（通ＦＭ２５Ｌ５１２ＣＣ２４３０过ＳＰＩ连接。本系统采用可调稳压器ＴＰＳ７８６０１为系统供电。采用个人电脑端的上位机应用程序对设备分节点的控制和节点信息的查询。上位机采用微软基础对象链接库设计，包括设备分节点功能设置界面与设备分节点信息查询界面，界面包含了相关的功能按钮，用户只需对上位机进行简单操作即可实现对设备分节点的控制和信息查询，如图２所示。

存储遥控器的红外脉冲码；其次用于发射的红外脉冲码必须自于把保存在存储器中的红外脉冲码基带信号调制到３８ｋＨｚ的载波信号。用芯片ＣＣ２４３０的内部定时器Ｔ１完成红外脉冲码的接收采集和调制输出，计数器Ｔ３用来产生３这样实８ｋＨｚ的载波信号，现对电视机进行遥控。３．３　灯光控制模块

终端设备分节点的功能为灯光的设置。灯光控制模块由光敏电阻和灯光控制继电器２个部分组成。其原理是利用光敏电阻的两端电阻随着光照强度变化而变化的特性，在通过ＣＣ２４３０芯片内置模／数转换器采集光敏电阻两端的电压，从而判断灯光的亮度，通过对可调电阻的调节达到调节灯光亮度的目的。通过对设备分节点相连的继电器的开关电控制可实现对灯光的开／关功能，如图４所示。

图２　家庭网关Ｆｉ．２　Ｈｏｍｅａｔｅｗａ　ｇｇｙ

３．２　红外收发模块

红外接收模块包括红外解调模块和红外调制模块。红外调制模块如图３所示。红外解调电路采用红外接收芯片Ｔ它具有功耗低、高接收灵敏度Ｌ５３８，以及优良的抗干扰特性，是集红外信号接收与解调于一体的红外解调芯片，它把接收到的红外模拟信号直接转化为数字信号。

３．４　窗帘自动化控制模块

该模块实现窗帘的自动控制功能，如图５所示。通过协调器主节点将来自于上位机的步进电机控制指令发送到步进电机控制设备分节点，再由设备分节点控制步进电机的运行状态（时间、方向以及速度。等）

图４　灯光控制模块Ｆｉ．４　Ｌｉｈｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ　　ｇｇ

图５　窗帘自动控制模块Ｆｉ．５　Ｃｕｒｔａｉｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ　　ｇ

图３　红外调制模块

Ｆｉ．３　Ｉｎｆｒａｒｅｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ　　ｇ

４　节点工作原理　

由于Ｚ本系ｉＢｅｅ协议栈Ｚｓｔａｃｋ是开放源代码，－ｇ统只需要编写各个设备节点的应用程序。协调器和终端节点的工作流程如图６、７所示。

协调器主节点初始化后，等待上位机通过串口向协调器主节点发送建立网络命令，收到命令后，协调

　　红外调制电路把基带信号和载波信号经过与门芯片７相与信号被红外Ｌ４ＶＣ１Ｇ０８进行相与，ＥＤ发射出去。

红外接收模块要实现遥控器的遥控功能要有２个步骤：首先红外解调模块要能够正确的原样接收并

第３期　　　　　　　　　　　　　　　　戴祥南等：基于ＺｉＢｅｅ技术的智能家居系统ｇ２０３

器主节点创建新网络，并等待设备分节点的加入。待设备分节点加入该网络后，协调器主节点开始等待来

１０］

。自上位机的控制命令并执行［

终端设备分节点初始化后，然后进行信道监测，若收到入网请求则加入网络，否则继续监测。入网后监测有无收到协调器主节点的控制命令，若收到控制命令，则执行命令并返回相应的信息。

５　结束语

提出基于ＺｉＢｅｅ技术的无线通信技术智能家居ｇ的解决方案，完成了系统框架设计以及家庭ＺｉＢｅｅｇ网络的建设，实现红外收发、电动窗帘自动控制、灯光开／关等功能，并给出了ＺｉＢｅｅ网络协调器和网络终ｇ端节点的工作流程图。参考文献：

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Ｔａｂ．６　Ｗｏｒｋｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ　　　

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Ｔａｂ．７　Ｗｏｒｋｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｎｏｄｅ　　　　　

编辑：曹寿平