ZigBee技術支援下智慧家居系統構建論文

0 引言

隨著電子技術在現實生活中的廣泛應用，智慧家居應運而生。智慧家居是以住宅為平臺，利用計算機技術、網路通訊技術將與家庭生活有關的裝置結合起來，通過無線網路實現遠端監控，它在保持了傳統居住功能的基礎上，提供了全方位的資訊交換功能，優化了人們的生活方式和居住環境。

在智慧家居中，通訊網路是整個系統的核心，採用無線組網方式使得網路通訊更加靈活、成本更低，其逐漸成為智慧家居的主流趨勢。Zig Bee 技術是基於 IEEE802.15.4標準的一種低功耗、低速率、低成本的無線網路通訊技術，具有強大的組網功能，在智慧家居中運用廣泛。本系統設計的智慧家居系統是通過 Zig Bee 技術組建的無線網路與嵌入式 WEB 伺服器通訊，使用者只需通過訪問 Web 瀏覽器，就可達到對家庭環境資料的監測和對家電裝置的控制，非常方便與高效。

1 系統設計方案

系統主要包括 Zig Bee 無線網路和嵌入式 WEB 伺服器，系統結構圖如圖 1 所示。

Zig Bee 無 線 網 絡 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 協 議 棧Z-Stack,採用星型拓撲結構，包括協調器與終端節點[1].協調器負責組建家庭內部無線網路，接收終端節點發來的感測器資料，通過串列埠將資料傳送給嵌入式 WEB 伺服器，並轉發伺服器的控制命令給終端節點。終端節點採集環境資料通過無線網路傳送給協調器，並接收協調器的控制命令並執行。終端節點連線溫溼度感測器、煙霧感測器、熱釋電感測器、光照度感測器等，用於測量家庭環境資料，連線繼電器模組控制家用電器。

嵌入式 WEB 伺服器設計是在 STM32 微控制器上移植TCP/IP 協議，通過串列埠與 Zig Bee 協調器通訊，通過乙太網介面接入監控網路，使用者使用電腦、手機等監控裝置與終端裝置互動。

2 系統硬體設計

2.1 Zig Bee 無線網路硬體設計

Zig Bee 模組採用 TI 公司的 CC2530 微控制器。CC2530 微控制器集成了 8051 增強型核心微控制器、RF 射頻收發器、片內可程式設計快閃記憶體、8KRAM、5 通道 DMA、8 路 12 位解析度AD 等強大功能的一款射頻微控制器[2].

2.1.1 終端節點設計

終端節點測量家庭環境溫度、溼度、煙霧濃度、紅外感應訊號、光照強度等資料，並傳遞給協調器，接收協調器發回的命令來控制家用電器 .硬體結構圖如圖 2 所示。

終端節點連線的感測器模組有溫溼度感測器、煙霧感測器、熱釋電感測器、光照度感測器。

溫溼度感測器採用 DHT11,它是 1 款含有已校準數字訊號輸出的溫溼度複合感測器，包括 1 個電阻式感溼元件和 1 個 NTC 測溫元件，並與 1 個高效能 8 位微控制器相連線，具有響應快、抗干擾能力強、價效比高等優點。DHT11 通過單匯流排直接與 CC2530 的 P1.1 引腳相連線。

煙霧感測器採用 MQ-2,它的探測範圍廣、靈敏度高、響應快、穩定性強，可用於液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等氣體的洩漏監測。MQ-2 與 CC2530 的 P0.7 引腳相連線。

熱釋電感測器採用 HC-SR501 人體紅外感應模組，它能檢測人發射的紅外線，從而判斷家中是否有人。HC-SR501 與 CC2530 的 P0.5 引腳相連線。

光照感測器採用光敏電阻，光敏電阻使用半導體材料製作，利用內光電效應工作，它在光線的作用下其阻值減小，在黑暗的環境裡，它的電阻值增高。光敏電阻與 CC2530 的P0.1 引腳相連線。

控制模組採用繼電器 SRD-05VDC-SL-C 來控制大功率的電器裝置，繼電器與 CC2530 的 P1.5 引腳相連線。

2.1.2 協調器設計

Zig Bee 協調器負責排程各節點工作，其通過串列埠連線STM32微控制器的USART2,在設定好相應的波特率等引數後，通過 TXD 和 RXD 引腳與 STM32 通訊，轉發感測器資料與接收控制命令。協調器與 STM32 的通訊介面電路如圖 3 所示。

2.2 嵌入式 WEB 伺服器硬體設計

2.2.1 微控制器模組

微控制器採用了STM32增強型微控制器STM32F103VET6,具有高效能、低功耗的優勢，其工作頻率可達到 72MHz,具 有 內 置 高 速 存 儲 器、128K 字 節 的 閃 存、20K 字 節 的SRAM、豐富的增強 I/O 埠和外設，2 個 12 位的 ADC、3 個通用 16 位定時器、1 個 PWM 定時器，還包含先進的通訊介面：2 個 I2C 和 SPI、3 個 USART、1 個 USB 和 1 個CAN.

2.2.2 乙太網介面模組

乙太網介面採用了 ENC28J60 晶片，ENC28J60 是帶SPI 介面的獨立乙太網控制器，它集成了 MAC 和 10BASE-TPHY、接收器和衝突抑制電路，支援全雙工和半雙工模式，最高速度可達 10Mb/s 的 SPI 介面，內建 8 KB 傳送 / 接收資料包雙埠 SRAM,可配置傳送 / 接收緩衝器大小、用於快速資料傳送的內部 DMA、硬體支援 IP 校驗和計算等[3].

ENC28J60 與 STM32 通過 SPI 介面連線，引腳連線圖如圖 4 所示。

3 系統軟體設計

3.1 Zig Bee 無線網路軟體設計

Zig Bee 網路在 OSI 參考模型的基礎上，結合無線網路的`特點，採用分層的思想實現，各層從上到下分別是應用層、網路層、介質訪問控制層、物理層[4] Bee 網路的組建主要由 Zig Bee 協議棧的網路層來實現，Zig Bee 網路層為新加入的節點分配地址、提供路由發現和路由維護等。協調器是 Zig Bee 無線網路中的第一個節點，也是主節點，負責無線網路的建立及引數配置[5].協調器通電後首先進行初始化，包括 CC2530 晶片初始化、協議棧初始化、串列埠初始化和硬體初始化等，然後呼叫 osal_start_system（） 函式進入作業系統，呼叫 ZDO_Start Device（） 函式啟動裝置，建立網路，並允許其它終端節點加入構成星型網路，終端節點加入網路後為其分配地址，然後接收終端節點發來的感測器資料，並轉發伺服器的命令。協調器程式流程圖如圖 5 所示。

終端節點上電完成初始化工作後，查詢是否有可加入的 Zig Bee 無線網路，如果有 Zig Bee 無線網路就自動加入，然後採集感測器資料，傳送資料到協調器，當接收到協調器傳送的控制命令後，執行控制操作。終端節點程式流程圖如圖 6 所示。

3.2 嵌入式 WEB 伺服器軟體設計

Web 伺服器是在嵌入式 TCP/IP 協議棧的基礎上實現的一種應用程式。軟體設計分為 3 部分：乙太網介面晶片驅動程式的實現，嵌入式 TCP/IP 協議棧的實現，嵌入式 TCP/IP 協議棧對使用者資料進行收發處理。

實現 ENC28J60 晶片驅動程式主要是編寫驅動檔案，函式模組包括讀控制暫存器、向乙太網控制器寫入命令、讀取 buff 的資料、向 buff 寫入資料、讀取控制暫存器的內容、寫入資料到控制暫存器、向 PHY 寫入控制引數、初始化乙太網控制器、傳送資料包函式、接收資料包函式。

實現 TCP/IP 協議棧是在微控制器上移植 Lw IP 協議棧。Lw IP 是一個小型開源的 TCP/IP 協議棧，它體積小，佔用記憶體小，適合在嵌入式系統中使用[6].移植要點是：複製 opt.h 檔案到新建的 lwipopt.h 檔案，並按照處理器資源與實際需求進行修改；編寫網路處理檔案 netconfig.c 與對應的標頭檔案 netconfig.h,主要是初始化 lwip 協議棧、系統時鐘中斷處理等；修改 ethernetif.c 檔案的相關函式：網絡卡初始化函式（low_level_init）、傳送資料函式（low_level_output）、接收資料函式（low_level_input）、資料輸入處理函式（ethernetif_input）。

嵌入式 TCP/IP 協議棧對使用者資料進行收發處理流程是：當用戶在瀏覽器中輸入 IP 地址來訪問 WEB 伺服器，Lw IP 協議棧首先對請求資訊進行解封裝處理後傳送到HTTP 任務模組，HTTP 任務中的 CGI 程式對資料進行處理後選擇對應的網頁陣列檔案應答，網頁陣列中的內容是採用 HTML 語言編寫的網頁檔案，最後通過 TCP/IP 協議將網頁檔案傳送到瀏覽器[7].嵌入式 WEB 伺服器的工作原理如圖 7 所示。

4 結語

本文設計了基於 Zig Bee 技術的智慧家居系統，系統採用 Zig Bee 技術組建無線網路、採集環境資料並遠端無線傳送，通過串列埠與嵌入式 WEB 伺服器通訊，使用者通過任何 1臺聯網的電腦和手機採用 WEB 瀏覽的方式就能訪問終端環境資料，並能及時準確的傳送控制命令，這種方式靈活、方便、成本低，具有廣闊的應用空間。

參考文獻：

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[7]於翰林 , 盧澤民 , 朱詠莉 . 基於嵌入式 Web 伺服器的 p H 值檢測系統的設計 [J]. 江蘇農業科學 ,2015,01:390-393.