设计基于ZigBee的智能家居控制系统
基于ZigBee技术的智能家居系统
基于ZigBee技术的智能家居系统吴海军;吴伯农;杨芬【摘要】为了满足手机短信远程控制家电设备的需要,应用GR64和CC2430为核心开发了一种基于无线传感器网络的智能化短信远程控制系统.系统硬件部分主要由短信(SMS)收发模块、红外收发模块、微处理器模块、存储模块和供电模块等组成；软件部分给出了ZigBee无线通信协议的工作原理、家庭网关的设计流程.试验表明,该系统具有良好的可扩展性、低成本、低功耗、低延时、低复杂度等特点,在智能家居系统中具有广阔的应用前景.%To meet the need of SMS remote controlling household appliances, an intelligent SMS remote controlling system by using SMS transceiver module GR64 and microcontrollerCC2430 was developed based on wireless sensor network. The hardware and software of the system are introduced, and the test results are given. The system hardware has many functions, such as SMS transceiver, infrared transceiver, microprocessor module, nonvolatile memory module and power supply module. The flow chart and home gateway are given based on ZigBee protocol. The experiment shows that the system has characteristics of good expansibility, low cost, low power consumption, low latency, low complexity and so on, which also has a wide range of application prospects in smart home.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)015【总页数】4页(P43-46)【关键词】智能家居;家庭网关;红外线通信;SMS;ZigBee;GR64;CC2430【作者】吴海军;吴伯农;杨芬【作者单位】北方工业大学,北京 100144;北方工业大学,北京 100144;北方工业大学,北京 100144【正文语种】中文【中图分类】TN915-340 引言智能家居(Smart Home)又称智能住宅。
基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌
基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌Proceedings of the 26th Chinese Control ConferenceJuly 26-31, 2007, Zhangjiajie, Hunan, China基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计边红昌，程德福，祁玉林，张坤吉林大学-TI DSP联合实验室, 长春130026E-mail:***********************.cn摘要：介绍了以DSP为语音控制模块与以PIC单片机和无线传输芯片CC2420为核心构成的ZigBee无线传输模块建立的无线智能语音控制系统。
给出了系统硬件总体结构及各模块的具体设计方案，语音识别算法和系统软件的实现方法。
针对DSP对语音识别算法进行优化，且对ZigBee协议栈进行优化精简，最终实现了独立运行、识别率高及操作方便的家庭智能语音控制系统。
关键词：语音识别, DSP, ZigBee, 智能控制Design of Wireless Intelligent Speech Control SystemBased on DSP and ZigBeeBian Hongchang, Cheng Defu, Qi Yulin, Zhang KunJilin University-TI DSP Laboratory, Changchun 130026, P. R. ChinaE-mail:***********************.cnAbstract: Introduce a Wireless Intelligent Speech Control System based on DSP as Speech Control Model and PIC Micro-controller & wireless transmit chip CC2420 as the ZigBee Wireless Transmit Model. Hardware design, Speech Recognition Algorithm and Program design are given in this paper. Especially Speech Recognition Algorithm is optimized toward DSP and ZigBee Protocol Stack is reduced. Independent, high recognition rate and convenient operation family intelligent speech control system is realized in our system.Key Words: Speech Recognition, DSP, ZigBee, Intelligent Control1 引言(Introduction)随着智能设备微型化、人工智能化、多功能化等功能的发展，而通常的人机控制如按键、图形菜单等不再能满足用户的需求，因而本文提出了基于DSP 和ZigBee无线智能语音控制系统。
基于zigbee技术的家居环境监测系统的设计与实现最终版
基于zigbee技术的家居环境监测系统的设计与实现最终版摘要：环境是人们赖以生存的必要条件，随着现代化信息技术的迅猛进展和提高，人们对自己的生活环境有了更高的要求，期望自己的生活环境健康、舒服。
近些年，专门是人类在信息技术上的快速进展，使得各种无线通信技术有了前所未有的突破，无线技术在智能家居上的应用将越来越广泛。
因此，本文利用ZigBee技术设计出了这种无线家居环境监测系统。
该系统中，传感器节点〔即终端节点〕能够选择温度、湿度、亮度等传感器，同时能够依照需求添加或减少传感器节点。
因此本文无线网络终端模块选用的CC2530芯片为平台，以实现信息数据的接收与发送。
此芯片内置8051内核的单片机内核，并有一定的内存空间，故只要加上些少许外围电路就能够实现功能，无需再加单片机。
在数据接收端〔即和谐器节点〕收到的数据处理传送到PC机上显示。
为了让用户方便监测数据，本文在PC机上设计了显示界面，让人们更加方便操作及监测数据。
本系统运行可靠，能正确猎取环境数据，实现实时监测。
关键词：ZigBee;无线传感器网络;环境监测;智能家居Design and Realization of Household EnvironmentMonitoring System Based on ZigBee TechnologyAbstract：Environment is a necessary condition for survival. With the rapid development and improvement of modern information technology, people have higher requirements for their living environment. They hope they live healthily and comfortably. During recent years, especially the quick development of information technology which enables all kinds of wireless communication technology to improve unprecedentedly. So,the thesis utilizes ZigBee technology to exploit and design the wireless home environmental monitoring system. In the system, the sensor node(as well as terminal node) can choose temperature, humidity, brightness etc. Therefore, the wireless network terminal module of the thesis choose the CC2530 chip as the platform for realizing receiving and sending of the information data. The chip has a single chip with 8051 core and has certain memory space. Thus, it can realize its function by adding a little peripheral circuit without extra single chip. The received data processing in the data receiving terminal(that is coordinator node) send to PC for people’s real-time monitoring. The thesis designed the display interface in PC for people’s operation and data monitoring conveniently. The system works reliably which can obtain correct environmental data and realize real time monitoring.Keywords：ZigBee;Wireless sensor networks; environmental monitoring; smart home名目前言 0第1章绪论 (1)1.1 本文的研究背景 (1)1.2 智能家居环境监测系统的特点 (1)1.3 本文要紧研究内容 (2)1.4 开发工具及开发环境的介绍 (2)1.4.1 系统软件开发环境介绍 (3)1.4.2 上位机软件开发环境介绍 (4)第2章 ZigBee技术的概述 (6)2.1 ZigBee技术的概念 (6)2.2 ZigBee技术的特点 (7)2.3 ZigBee网络设备组成和网络结构 (7)2.4 ZigBee的协议分析 (8)2.4.1 网络层〔NWK〕 (9)2.4.2 应用层〔APP〕 (10)2.5 本章小结 (11)第3章系统的总体设计 (12)3.1 系统结构 (12)3.2 系统功能定义 (12)3.3 系统设计要求 (14)3.4 本章小结 (14)第4章系统的硬件设计 (15)4.1 ZigBee硬件选型 (15)4.2 节点硬件设计 (17)4.3 本章小结 (20)第5章系统的软件设计及实现 (21)5.1 软件部分总体介绍 (21)5.1.1 软件设计整体流程 (21)5.1.2 和谐器的自动组网流程 (21)5.2 和谐器节点软件实现 (24)5.3 传感器节点软件设计 (26)5.4 本章小结 (27)第6章上位机软件实现及测试 (28)6.1 上位机软件实现 (28)6.2 软件测试 (29)6.3 本章小结........................................ 错误!未定义书签。
基于人工免疫系统和ZigBee的智能家居灯光控制系统的设计
１ 引 言
智 能家居 灯 光控 制 的 作 用 ，不 仅 是 要 营造 良好 的光环 境 ，而且 还 要 节 约 能源 。 因此 ，好 的 灯 光控 制 系统应 可 以充分 利用外 界 自然光 ，动 态控制灯 具 ， 以达 到用 最小 的 能耗 实 现 最好 效 果 的 目的 。现 有 的
细胞并 使其 符合 免 疫反 应 区 的要求 ， 即骨髓 只 向免
疫 反应 区输送 成 熟 Ｂ细胞 。免 疫反 应 区是 抗原 和 抗
体 匹 配的场 所 ，通 过基 于亲 合 度 的选 择 等 操作 ，确
方便 维 护 ，还 可 以 满 足 工 作 和生 活 的多 样 性 要 求 ， 系统 总体 结构 如 图 １ 所示 。
Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ射频 收发模 块组 成 。遥控 器可实 现移 动控 制 ， 主要 由 Ｚｇ ｅ ｉ ｅ射 频 收 发 模 块 和 嵌 入 式 控 制 系 统 组 Ｂ
成 。Ｚｇ ｅ 线 网 络 以 星 型 拓 扑 结 构 构 成 ，免 疫 控 ｉＢ ｅ无
制 器作 为 网络协 调 器 ，各 灯 具控 制 终 端 及遥 控 器 作
以达 到用 最 小 的能 耗 实 现 最 好 效 果 的 目的 。 关键 词 ：人 工 免 疫 系统 ；Ｚｇ ｅ ；灯 光 控 制 系 统 ｉ ｅ Ｂ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｇ ｔｎ ｎ ｒ ｌＳ ｓｅ ｎ Ｉ ｔ ｌ ｇ ｎ ｏ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ｓｇ ｆ Ｌｉ ｈ ｉ ｇ Ｃｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ｉ ｎ ｅｌ ｅ ｔＨ ｍ ｓ ｄ ｏ ｉ Ａｒ ｉ ｃａ ｍ ｍ ｕ ｅ Ｓ ｓ ｅ ｎ ｇ ｅ ｔｆ ｉ ｌＩ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ ａ ｄ Ｚｉ Ｂｅ
本 文设计 的 系统 是 一 种新 型 的智 能 家 居灯 光 控 制 系统 。模拟 生 物 免疫 系 统 ，利 用 人 工 免 疫 系统 的 相关 知 识 ，通 过 抗 体 和抗 原 不 断 匹配 ，动 态控 制 灯 具 ，达 到在不 断变 化 的 自然光 环 境 中也 可 以 自适 应
智能家居系统的设计与实现
智能家居系统的设计与实现随着科技的不断进步，智能家居系统也逐渐成为人们生活中的一部分。
而智能家居系统最根本的核心是智能化的家居控制系统。
智能家居系统通过感知、控制、计算等科技手段，使得家居环境更加智能化、舒适化，而且还能极大地提高家居的安全性能。
本文将介绍智能家居系统的设计与实现。
一、智能家居系统的设计原则在设计智能家居系统时，我们需要遵循一些基本原则。
首先，系统的设计应该具有智能控制的能力。
其次，我们要基于家庭成员的需求，来完善系统的配置与功能。
最后，我们要确保系统的可靠性，保证系统的稳定运行。
二、智能家居系统的实现技术我国的智能家居市场正处于起步阶段，市场并不成熟。
因此，目前我们主要使用基于RFID、ZigBee、Wi-Fi等技术的实现方式。
1. RFID技术的应用RFID技术是智能家居系统中经常使用的技术，其具有无线性、不坏性、追踪性、识别性等优点。
比如，我们可以在智能家电、门禁控制器、安防监控等应用中，使用RFID标签来实现物品的自动识别与追踪。
2. ZigBee技术的应用ZigBee技术是无线网络中的一种低功耗、短距离通讯技术。
它可以建立小规模网格网络，通过低功耗的无线通信技术，实现家庭自动控制。
通过ZigBee模块，我们可以实现智能家电的远程控制、窗帘的远程调节、智能灯光的亮度调节等功能。
3. Wi-Fi技术的应用Wi-Fi技术是广泛使用的无线网络通信技术，它具有高速传输、远距离传输、可靠性有保证等优点。
在智能家居系统中，我们可以使用Wi-Fi来建立家庭无线网络，在家里构建一个小型局域网，来实现智能家居化的应用。
三、智能家居系统的实现步骤1.需求分析与规划在实现智能家居系统前，我们需要充分分析家庭成员的实际需求，制定详细的规划方案。
主要包括家庭环境的布置、应用对象的设置、应用范围的确定、控制系统的规模等。
2.系统硬件的选型在确定控制系统规模后，我们还需要根据家庭情况选购所需要的硬件设备。
基于Zigbee和GPRS的智能家居安防系统设计
随着信息化时代 的到来 ， 计算机技术 、 通信技术 、 网络 技术 、 控 制 技术都 得到 了迅猛 的发 展与 提高 ， 人们 的 自身生活 与居住条 件 都得 到了很大 的提高 ， 人们也对居住环 境的要求也越来越 高 ， 能 智 家居 的出现迎合 了人 们 的这种需 求 。传感 器 网络 、 线通 信技 术 无 和普适计 算是智能家 居的核 心技术 ［ ］ １。物联 网技术 的提 出和发 展越来越 受到人们 的关注 ， 其应 用范 围也越来 越广 。作为智 能 家 居 的一个 重要组成部分 ， 智能家居安 防系统 是集信息技术 、 网络技 术、 传感技术 、 无线 电技术 、 糊控 制技术 等多种 技术 为一体 的综 模 合应用 ， 通过结合 Ｚ ｇ ｅ Ｇ ＲＳ技术 的优势 ， ｉＢ ｅ和 Ｐ 将家庭 环境监 控 、 家庭 安全 防范等功能 集为 一体构成 的智能 系统产 品 ， 具有 很强 的 技术性和前 瞻性［ —３ 。 ２ ］
３ 门禁 访 问 功 能 、
在系统正常运行过程 中， 如遇到用户外出而有客来访的情况 ， 客人在按下 门铃后 ， 系统会 自动拨通预存的用户手机号码 。
二、 系统 硬 件 设计
网络技术 Ｚｇ ｅ 和 Ｇ ＲＳ移动通 信相结 合 ， ｉ ｅ ｂ Ｐ 实现 了家居 安 防 自动 报警 、 家居状况实时监测 和 门禁访 问功能 ， 助用户 营造 安全 、 帮 方
框 图如图 １ 示 。传感器子节点 负责将传感器参数 经 Ｚｇ ｅ 无 线 所 ｉｂｅ 传感 网络 发送至 总控制器 ， 主控器主要 实现 系统控制 和与住户 的 交互 ， 收各子节 点上传数 据 ， 接 对传 感器状 态进行 实 时监控 ， 当出
基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统
基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统苏李果;朱燕【摘要】随着电子、计算机和通信技术的发展以及人们生活水平的提高，人们对每日息息相关的家居功能有了更高的期望。
为了改进现有大多数现场总线式系统布线和维护难的局面，提出了一种基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居系统实现方案。
该系统包括ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端三个部分，可以通过智能家居网关直观地掌握所有节点上各种传感器的工作状态，集中对各种电器进行控制，并可通过移动手机终端实现远程控制。
经测试该系统运行良好，达到了预期的设计目标。
%With the rapid development of electronic, computer and communication technology and the improvement ofpeople's living standard, people have higher expectations for the home furnishing function. To improve the difficult situation of wiring and maintenance in the most fieldbus system, this paper provides a smart home system solution based on ZigBee Wireless Sensor network. This System includes ZigBee Wireless Sensor network, smart home system gateway and mobile phone end device. Users can master the working state of all the sensors in the nodes intuitively, and they can centralize control the Electrical appliances. And the remote control mode can be realized through a mobile terminal, too. After the test, this system works well and reaches the desired design goal.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P66-70)【关键词】ZigBee;无线传感器网络;智能家居;协调器节点;终端节点【作者】苏李果;朱燕【作者单位】闽西职业技术学院电气工程系，龙岩 364021;娄底职业技术学院电子信息工程系，娄底 417000【正文语种】中文21世纪是信息化的时代, 随着电子、计算机和通信技术的发展以及人们生活水平的提高, 人们对每日息息相关的家居功能有了更高的期望. 不仅要求住宅能满足一般的居住需求, 还越来越多地注重家庭生活中每个成员的安全、舒适与便利程度. 这样的需求促进了智能家居产品诞生, 它的基础平台是住宅, 集合了建筑布线、互联通信、家居安防、系统自控及音视频技术, 创建了一个高效的日常生活事务的管理系统, 有效地提升了家庭生活的安全、方便和舒适性, 并满足人们对于环保的需求. 自20世纪末智能家居的理念引入到国内, 经过了十多年的发展, 我国的智能家居的发展进入了融合演变期, 呈现快速增长的势头. 但目前大多数系统还是采用现场总线式的连接方式, 给布线安装和维护方面带来了不便[1]. 基于上述原因, 本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统实现方案.1 系统架构与工作原理本系统主要由三部分构成: ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端.ZigBee无线传感器网络由多个终端节点和一个协调器组成, 每个终端节点根据实际的监测需求连接多种传感器或受控设备——如温度、湿度、有毒气体、光敏、窗帘电机、红外遥控转发器等. 它将采集到的传感器数据汇聚至协调器, 并接收协调器发来的命令. 协调器通过UART串口连接智能家居网关, 负责与上位机控制软件进行交互.智能家居网关是整个系统的控制核心, 它是内部ZigBee无线传感器网络与外部互联网连接的中转站. 它具备可视化的界面, 在其上可对各终端节点的实时状态进行监控. 对内可通过ZigBee协调器转发各种查询和控制命令, 对外可提供TCP/IP Socket连接Server服务, 供移动手机终端连接, 实现无线远程监控[2].图1 系统构成2 系统硬件设计本系统中智能家居网关采用PC机作为运行环境, 因此主要对ZigBee无线传感器网络的硬件进行了设计. 系统选用了美国TI公司的CC2530作为无线通信的主控芯片, CC2530内部包含一个8051内核MCU, 拥有ADC、UART等丰富的外设资源, 同时还集成了高性能的射频收发器, 是一个典型的SOC片上系统. 它功耗极低, 数据传输响应时间短, 可满足本系统的设计需求.2.1 终端节点硬件设计终端节点需要完成传感器数据的采集, 定时发送至协调器, 并接受协调器发来的控制命令. 因此终端节点的硬件设计主要包括数据采集与控制模块、数据处理与无线通信模块和电源模块的设计.(1) 数据采集与控制模块该模块根据终端节点的需求选择各种不同的传感器或控制装置, 由于CC2530内部带A/D转换的外设功能, 因此对于输出为模拟量的传感器可以直连该芯片. 对于窗帘控制节点, 其上需连接光照强度检测传感器和控制电机的继电器. 前者选择光敏电阻, 采用分压电路的接法, 利用光照强度不同时其阻值改变导致两端电压值改变的特性, 可实现光照等级的采集, 用于窗帘自动开闭的控制. 继电器的选择应考虑其驱动电压, 由于CC2530的供电电源典型值为3.3V, 因此选择输入兼容3.3V的继电器.温湿度采集节点选择奥松电子的AM2301数字温湿度传感器, 它内部包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件, 并与一个高性能8位单片机相连, 采用单总线接口, 硬件电路上直连CC2530的P0.7端口, 可直接读出温湿度数据.有毒气体检测节点选择MQ-2气体传感器, 它的电导率随着空气中可燃气体浓度的增加而增大, 其输出的模拟电压值也随之变化. 本系统中将它的输出连接LM393电压比较器, 通过电位器改变比较参考电压值可进行气体报警灵敏度的调节.(2) 数据处理与无线通信模块本系统数据处理和无线通信功能分别使用CC2530内部的8051内核和射频收发器, CC2530为SOC片上系统, 具有很高的集成度, 所以其周边只需连接晶振和少量负载电容即可. 该模块连接了XTAL1和XTAL2两个晶振, 分别为32MHz和32.768KHz. 无线通信方面主要设计了天线电路, CC2530的射频输出为差分信号, 为了与天线的单端输出相连, 两者之间利用电感和电容设计了巴伦电路[3]. 在天线的选择上, 经过综合对比各种天线的性能, 选用SMA连接端子的鞭状天线. 数据处理和无线通信模块的电路原理图如图2所示.图2 数据处理与无线通信模块电路原理图(3) 电源模块本系统主要应用于家庭内部, 各个终端节点均能得到较为稳定的供电, 因此在供电方面选择电源供电. 使用5V直流电压输入, 选用AMS1117-3.3 DC/DC稳压芯片完成5V转3.3V, 为系统各个模块供电.2.2 协调器节点硬件设计协调器节点与智能家居网关连接, 它把从各终端节点汇聚的传感器数据转发到网关, 同时向各终端节点分发网关下达的控制命令. 协调器节点上无需连接传感器, 它在数据处理与无线通信模块和电源模块的硬件电路设计上与终端节点相同. 由于协调器与智能家居网关之间的连接端口为UART串口, 而且两者串口数据的电平标准不同——协调器上为RS232 TTL电平标准, PC端为USB接口标准, 因此系统选用PL2303芯片设计了USB与RS232 TTL电平互相转换的电路. PL2303芯片内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART, 具有较高的集成度, 在其周边只需连接12MHz晶振与两只电容即可构建最小系统. 协调器节点的USB转RS232接口的电路原理图如图3所示.图3 协调器节点的USB转RS232电路原理图3 系统软件设计系统软件设计包括ZigBee无线传感器网络中各个节点的程序设计、智能家居网关的监控软件的设计和移动手机终端软件的设计.3.1 数据通信协议由于ZigBee网络通信涉及查询和控制命令, 需要传输多种不同的传感器数据, 因此需要先对数据通信的协议进行设计. 数据以字节为单位, 系统规定了协调器节点的查询和控制命令的数据帧格式, 并对终端节点的响应帧格式进行了定义, 如表1所示. 其中“地址”为2个字节的短地址, “功能码”在Modbus协议的基础上针对实际应用进行扩展, “数据段”根据命令功能的不同和传感器数据位数的需求进行调整, “校验码”为前述内容的异或值.表1 ZigBee通信数据帧格式格式组成开始符地址功能码数据段校验码结束符字节数1 Byte2 Byte1 Byte0-N Byte1 Byte1 Byte 缩写STADDRFCDAXORED“功能码”的详细定义如表2所示, 查询命令所对应的“数据段”长度为0, 控制命令所对应的“数据段”长度为1.表2 功能码描述功能码FC描述数据长度 01查询所有终端节点的传感器数据002查询单个终端节点的传感器数据0 0A控制终端节点灯的亮灭1 Byte 0B控制终端节点窗帘开合1 Byte 0C外出模式, 关闭所有设备1 Byte3.2 终端节点程序设计终端节点的程序设计开发环境为IAR, 基于TI公司的Z-Stack 2007pro协议栈进行开发.终端节点在启动后先搜索协调器建立的网络并加入, 在传感器数据采集与上报的机制方面, 设计了两种模式, 一是定时采集自动上报; 二是只有接收到协调器发来的查询命令, 才唤醒节点采集并上报. 为了降低功耗, 系统设计以上两种形式当终端节点没有采集传感器数据时, 进入休眠状态[4]. 具体的程序工作流程如图4所示.图4 终端节点程序流程图3.3 协调器节点程序设计协调器在上电初始化后建立ZigBee网络, 收到终端节点的加入请求后, 允许其加入, 然后监听OSAL中串口接收事件或无线接收数据事件是否发生. 若收到智能家居网关通过串口发来的查询或控制命令, 则将其广播出去或单播给目标终端, 等待终端发回响应数据并通过串口发给网关, 然后再次进入监听状态. 若收到终端节点定时发来的传感器数据, 则直接通过串口发给网关, 最终也是再次进入监听状态. 具体的程序工作流程如图5所示.图5 协调器节点程序流程图3.4 智能家居网关软件设计本系统中智能家居网关以PC机Windows操作系统作为运行环境, 使用C++语言, 在Visual Studio 2005和数据库开发环境下, 设计了监控管理软件. 智能家居网关和ZigBee协调器节点之间采用UART串口连接, 使用MSComm控件实现了两者之间的串口通信[5]. 软件使用可视化控件直观地展示了终端节点上各种传感器的工作状态, 记录了温湿度的变化曲线. 同时为了扩展系统的远程控制的功能, 使用VC++中的Socket编程实现了TCP服务器端, 提供给远程移动手机终端连接. 通过该监控管理软件, 用户可直观地掌握所有传感器节点的工作情况, 并可集中对各种电器进行控制. 该监控管理软件的界面如图6所示.图6 智能家居网关监控管理软件界面3.5 移动手机终端软件设计移动手机终端选择Android系统作为运行平台. 终端软件的设计主要包括3个方面的内容: 一是与智能家居网关之间基于TCP/IP协议的socket通信; 二是各种传感器实时信息的更新与控制命令的传送; 三是人机界面的设计.Socket通信模块的程序设计使用了Android系统的进程间通信的机制 , 并加入了Service、Broadcast Receiver和Activity组件实现相关功能, 该模块的程序架构如图7所示.图7 移动手机终端socket通信模块程序架构从上图中可以看到, 用户在UI界面中启动连接socket服务的请求, 然后连入智能家居网关的socket服务器. 连接建立以后, 启动一个新线程, 用于发送控制命令以及接收返回的传感器实时信息. 同时该进程将传感器实时信息以广播的形式发给UI 界面的Receiver进行刷新显示.人机界面的设计主要包括socket服务器连接界面和主功能界面的设计. 主功能界面实现ZigBee各终端节点的传感器信息的实时显示, 如: 温度、湿度、可燃气体泄漏和光照度等, 同时设计了针对家中电器控制的功能模块, 如: 照明灯、风扇等, 情景模式页面设计了离家模式和在家模式, 可根据需要统一对各种传感器和电器进行控制. 设计好的人机界面如图8所示.图8 移动手机终端人机界面4 系统的连接实现与测评系统设计完成后, 为了验证方案的可行性, 对其进行了连接实现与测评. 取五个节点,其中一个为协调器, 通过UART串口连接智能家居网关, 其余四个为终端, 分别连接温度、湿度、可燃气体检测等传感器和照明灯等家用电器.系统测试主要包括组网的速度与稳定性、传感器数据采集的准确性、数据传输的响应速度以及各个情境模式的工作情况. 经过测试, 所有节点上电后, 协调器组建ZigBee网络, 所有终端可正常入网, 整个过程在3秒完成并稳定长时间工作. 各终端节点的传感器数据采集准确, 温湿度传感器的误差控制在±0.5℃, 可燃气体检测传感器不存在误报现象. 当终端节点采集到的传感器数据发生变化时, 智能家居网关与移动手机终端上可以接近实时地刷新显示, 响应速度较高, 可以达到设计的要求. 在“离家模式”下, 断开所有电器的电源和关闭窗帘, 并保持光照、温湿度和可燃气体检测传感器的运行, 以提供报警功能; “在家模式”下, 关闭光照检测传感器, 由人工控制窗帘的开闭, 同时打开电器的电源便于控制.综上所述, 该系统中智能家居网关监控管理软件工作正常, 可以实时显示ZigBee网络中各节点的状态, 可集中对照明灯等设备进行控制, 并可提供移动手机终端连接实现远程控制, 达到了设计目标. 该系统发挥了ZigBee无线传感器网络组网简单、自组织性强、适合小数据远程传输的特点, 可适应智能家居系统的工作环境, 具有很强的实用性.参考文献1 黄文凤.智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势.集成电路应用,2013(10):16–18.2 方志忠.基于ZigBee的智能家居系统的设计与实现.电子制作,2014(10):33–34.3 南忠良,孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计.电子设计工程,2010(7):117–119.4 王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现.北京:化学工业出版社,2012.5 李景峰,杨丽娜,潘恒.Visual C++串口通信技术详解.北京: 机械工业出版社,2010. Smart Home System Based on ZigBee Wireless Sensor NetworkSU Li-Guo1, ZHU Yan21(Electrical Engineering Department of Minxi Vocational and Technical College, Longyan 364021, China)2(Telecom Department, Loudi Vocational and Technical College, Loudi 417000, China)Abstract：With the rapid development of electronic, computer and communication technology and the improvement of people's living standard, people have higher expectations for the home furnishing function. To improve the difficult situation of wiring and maintenance in the most fieldbus system, this paper provides a smart home system solution based on ZigBee Wireless Sensor network. This System includes ZigBee Wireless Sensor network, smart home system gateway and mobile phone end device. Users can master the working state of all the sensors in the nodes intuitively, and they can centralize control the Electrical appliances. And the remote control mode can be realized through a mobile terminal, too. After the test, this system works well and reaches the desired design goal.Key words：ZigBee; wireless sensor network; smart home; coordinator node; end device node①基金项目：湖南省教育厅科学研究青年项目(12B106)收稿时间：2014-11-19;收到修改稿时间:2014-12-29本系统主要由三部分构成: ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端.ZigBee无线传感器网络由多个终端节点和一个协调器组成, 每个终端节点根据实际的监测需求连接多种传感器或受控设备——如温度、湿度、有毒气体、光敏、窗帘电机、红外遥控转发器等. 它将采集到的传感器数据汇聚至协调器, 并接收协调器发来的命令. 协调器通过UART串口连接智能家居网关, 负责与上位机控制软件进行交互.智能家居网关是整个系统的控制核心, 它是内部ZigBee无线传感器网络与外部互联网连接的中转站. 它具备可视化的界面, 在其上可对各终端节点的实时状态进行监控. 对内可通过ZigBee协调器转发各种查询和控制命令, 对外可提供TCP/IP Socket连接Server服务, 供移动手机终端连接, 实现无线远程监控[2].本系统中智能家居网关采用PC机作为运行环境, 因此主要对ZigBee无线传感器网络的硬件进行了设计. 系统选用了美国TI公司的CC2530作为无线通信的主控芯片, CC2530内部包含一个8051内核MCU, 拥有ADC、UART等丰富的外设资源, 同时还集成了高性能的射频收发器, 是一个典型的SOC片上系统. 它功耗极低, 数据传输响应时间短, 可满足本系统的设计需求.2.1 终端节点硬件设计终端节点需要完成传感器数据的采集, 定时发送至协调器, 并接受协调器发来的控制命令. 因此终端节点的硬件设计主要包括数据采集与控制模块、数据处理与无线通信模块和电源模块的设计.(1) 数据采集与控制模块该模块根据终端节点的需求选择各种不同的传感器或控制装置, 由于CC2530内部带A/D转换的外设功能, 因此对于输出为模拟量的传感器可以直连该芯片. 对于窗帘控制节点, 其上需连接光照强度检测传感器和控制电机的继电器. 前者选择光敏电阻, 采用分压电路的接法, 利用光照强度不同时其阻值改变导致两端电压值改变的特性, 可实现光照等级的采集, 用于窗帘自动开闭的控制. 继电器的选择应考虑其驱动电压, 由于CC2530的供电电源典型值为3.3V, 因此选择输入兼容3.3V的继电器.温湿度采集节点选择奥松电子的AM2301数字温湿度传感器, 它内部包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件, 并与一个高性能8位单片机相连, 采用单总线接口, 硬件电路上直连CC2530的P0.7端口, 可直接读出温湿度数据.有毒气体检测节点选择MQ-2气体传感器, 它的电导率随着空气中可燃气体浓度的增加而增大, 其输出的模拟电压值也随之变化. 本系统中将它的输出连接LM393电压比较器, 通过电位器改变比较参考电压值可进行气体报警灵敏度的调节.(2) 数据处理与无线通信模块本系统数据处理和无线通信功能分别使用CC2530内部的8051内核和射频收发器, CC2530为SOC片上系统, 具有很高的集成度, 所以其周边只需连接晶振和少量负载电容即可. 该模块连接了XTAL1和XTAL2两个晶振, 分别为32MHz和32.768KHz. 无线通信方面主要设计了天线电路, CC2530的射频输出为差分信号, 为了与天线的单端输出相连, 两者之间利用电感和电容设计了巴伦电路[3]. 在天线的选择上, 经过综合对比各种天线的性能, 选用SMA连接端子的鞭状天线. 数据处理和无线通信模块的电路原理图如图2所示.(3) 电源模块本系统主要应用于家庭内部, 各个终端节点均能得到较为稳定的供电, 因此在供电方面选择电源供电. 使用5V直流电压输入, 选用AMS1117-3.3 DC/DC稳压芯片完成5V转3.3V, 为系统各个模块供电.2.2 协调器节点硬件设计协调器节点与智能家居网关连接, 它把从各终端节点汇聚的传感器数据转发到网关, 同时向各终端节点分发网关下达的控制命令. 协调器节点上无需连接传感器, 它在数据处理与无线通信模块和电源模块的硬件电路设计上与终端节点相同. 由于协调器与智能家居网关之间的连接端口为UART串口, 而且两者串口数据的电平标准不同——协调器上为RS232 TTL电平标准, PC端为USB接口标准, 因此系统选用PL2303芯片设计了USB与RS232 TTL电平互相转换的电路. PL2303芯片内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART, 具有较高的集成度, 在其周边只需连接12MHz晶振与两只电容即可构建最小系统. 协调器节点的USB转RS232接口的电路原理图如图3所示.系统软件设计包括ZigBee无线传感器网络中各个节点的程序设计、智能家居网关的监控软件的设计和移动手机终端软件的设计.3.1 数据通信协议由于ZigBee网络通信涉及查询和控制命令, 需要传输多种不同的传感器数据, 因此需要先对数据通信的协议进行设计. 数据以字节为单位, 系统规定了协调器节点的查询和控制命令的数据帧格式, 并对终端节点的响应帧格式进行了定义, 如表1所示. 其中“地址”为2个字节的短地址, “功能码”在Modbus协议的基础上针对实际应用进行扩展, “数据段”根据命令功能的不同和传感器数据位数的需求进行调整, “校验码”为前述内容的异或值.“功能码”的详细定义如表2所示, 查询命令所对应的“数据段”长度为0, 控制命令所对应的“数据段”长度为1.3.2 终端节点程序设计终端节点的程序设计开发环境为IAR, 基于TI公司的Z-Stack 2007pro协议栈进行开发.终端节点在启动后先搜索协调器建立的网络并加入, 在传感器数据采集与上报的机制方面, 设计了两种模式, 一是定时采集自动上报; 二是只有接收到协调器发来的查询命令, 才唤醒节点采集并上报. 为了降低功耗, 系统设计以上两种形式当终端节点没有采集传感器数据时, 进入休眠状态[4]. 具体的程序工作流程如图4所示.3.3 协调器节点程序设计协调器在上电初始化后建立ZigBee网络, 收到终端节点的加入请求后, 允许其加入, 然后监听OSAL中串口接收事件或无线接收数据事件是否发生. 若收到智能家居网关通过串口发来的查询或控制命令, 则将其广播出去或单播给目标终端, 等待终端发回响应数据并通过串口发给网关, 然后再次进入监听状态. 若收到终端节点定时发来的传感器数据, 则直接通过串口发给网关, 最终也是再次进入监听状态. 具体的程序工作流程如图5所示.3.4 智能家居网关软件设计本系统中智能家居网关以PC机Windows操作系统作为运行环境, 使用C++语言, 在Visual Studio 2005和数据库开发环境下, 设计了监控管理软件. 智能家居网关和ZigBee协调器节点之间采用UART串口连接, 使用MSComm控件实现了两者之间的串口通信[5]. 软件使用可视化控件直观地展示了终端节点上各种传感器的工作状态, 记录了温湿度的变化曲线. 同时为了扩展系统的远程控制的功能, 使用VC++中的Socket编程实现了TCP服务器端, 提供给远程移动手机终端连接. 通过该监控管理软件, 用户可直观地掌握所有传感器节点的工作情况, 并可集中对各种电器进行控制. 该监控管理软件的界面如图6所示.3.5 移动手机终端软件设计移动手机终端选择Android系统作为运行平台. 终端软件的设计主要包括3个方面的内容: 一是与智能家居网关之间基于TCP/IP协议的socket通信; 二是各种传感器实时信息的更新与控制命令的传送; 三是人机界面的设计.Socket通信模块的程序设计使用了Android系统的进程间通信的机制 , 并加入了Service、Broadcast Receiver和Activity组件实现相关功能, 该模块的程序架构如图7所示.从上图中可以看到, 用户在UI界面中启动连接socket服务的请求, 然后连入智能家居网关的socket服务器. 连接建立以后, 启动一个新线程, 用于发送控制命令以及接收返回的传感器实时信息. 同时该进程将传感器实时信息以广播的形式发给UI 界面的Receiver进行刷新显示.人机界面的设计主要包括socket服务器连接界面和主功能界面的设计. 主功能界面实现ZigBee各终端节点的传感器信息的实时显示, 如: 温度、湿度、可燃气体泄漏和光照度等, 同时设计了针对家中电器控制的功能模块, 如: 照明灯、风扇等, 情景模式页面设计了离家模式和在家模式, 可根据需要统一对各种传感器和电器进行控制. 设计好的人机界面如图8所示.系统设计完成后, 为了验证方案的可行性, 对其进行了连接实现与测评. 取五个节点, 其中一个为协调器, 通过UART串口连接智能家居网关, 其余四个为终端, 分别连接温度、湿度、可燃气体检测等传感器和照明灯等家用电器.系统测试主要包括组网的速度与稳定性、传感器数据采集的准确性、数据传输的响应速度以及各个情境模式的工作情况. 经过测试, 所有节点上电后, 协调器组建ZigBee网络, 所有终端可正常入网, 整个过程在3秒完成并稳定长时间工作. 各终端节点的传感器数据采集准确, 温湿度传感器的误差控制在±0.5℃, 可燃气体检测传感器不存在误报现象. 当终端节点采集到的传感器数据发生变化时, 智能家居网关与移动手机终端上可以接近实时地刷新显示, 响应速度较高, 可以达到设计的要求. 在“离家模式”下, 断开所有电器的电源和关闭窗帘, 并保持光照、温湿度和可燃气体检测传感器的运行, 以提供报警功能; “在家模式”下, 关闭光照检测传感器, 由人工控制窗帘的开闭, 同时打开电器的电源便于控制.综上所述, 该系统中智能家居网关监控管理软件工作正常, 可以实时显示ZigBee网络中各节点的状态, 可集中对照明灯等设备进行控制, 并可提供移动手机终端连接实现远程控制, 达到了设计目标. 该系统发挥了ZigBee无线传感器网络组网简单、。
基于单片机的智能家居控制系统设计
基于单片机的智能家居控制系统设计智能家居控制系统是一种通过单片机控制家居设备的智能控制系统。
它可以实现对灯光、空调、电视、窗帘等各种家居设备的远程控制和自动化控制，提高居住环境的舒适性和便利性。
本文将讨论基于单片机的智能家居控制系统设计，包括系统结构、硬件设计和软件编程等方面。
一、系统结构设计智能家居控制系统的结构主要由传感器、执行器、通信模块、控制单元和用户界面组成。
传感器用于采集环境信息，比如光照、温度、湿度等，执行器用于控制家居设备的开关和调节，通信模块用于与用户界面进行数据交换，控制单元则是核心部分，负责数据处理和控制指令的下发。
在整个系统中，控制单元是最关键的部分，它需要对传感器采集的数据进行处理，并根据用户的指令来控制家居设备。
控制单元通常采用单片机作为核心控制芯片，常用的单片机有51系列、Arduino、STM32等。
用户界面是用户与智能家居系统交互的窗口，可以采用手机APP、PC界面、语音控制等形式。
通过用户界面，用户可以实时监控环境信息，远程控制家居设备，设置定时任务等功能。
二、硬件设计1. 传感器模块设计智能家居控制系统的传感器模块通常包括光照传感器、温湿度传感器、烟雾传感器等。
这些传感器能够实时采集环境信息，通过单片机进行处理和分析。
执行器模块主要用于控制各种家居设备，比如电灯、空调、插座、窗帘等。
执行器模块通常采用继电器、电磁阀等元件来实现开关和调节。
通信模块主要用于与用户界面进行数据交换，常用的通信方式包括WiFi、蓝牙、ZigBee等。
通过通信模块，用户可以实现远程控制和实时监控。
4. 控制单元设计控制单元采用单片机作为核心控制芯片，它需要具备足够的计算能力和通信接口。
为了提高系统的稳定性和安全性，控制单元通常还会加入实时时钟、EEPROM存储器、电源管理模块等元件。
三、软件编程1. 硬件驱动程序设计在单片机控制单元中，需要设计各种传感器和执行器的硬件驱动程序。
这些驱动程序需要能够实现对硬件的初始化、数据采集和控制等功能。
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设计基于ZigBee的智能家居控制系统
随着科技的不断发展，智能家居控制系统也越来越成为人们生活中的必备品。
其中，基于ZigBee技术的智能家居控制系统具有可靠性高、安全性好、扩展性强
等特点，成为越来越多家庭的首选。
一、什么是ZigBee技术？
ZigBee是一种基于无线射频（RF）技术的低功耗、低速率、短距离通信技术。
它采用IEEE 802.15.4标准，并在此基础上定义了一系列应用规范，为物联网提供
了一种低成本、低功耗、高安全性的解决方案。
ZigBee技术可以广泛应用于家庭
自动化、医疗保健、农业、环境监控等领域。
二、智能家居控制系统架构
基于ZigBee技术的智能家居控制系统通常由如下几个部分组成：
1. 控制中心：控制中心是系统的核心部分，主要负责与各类智能设备进行通信
和控制。
控制中心需要支持多种通信协议，包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等。
2. 智能设备：智能设备是指能够通过控制中心进行远程控制的各类家居设备，
包括灯控、窗帘控制器、家庭影院、智能插座等。
这些设备需要具备ZigBee通信
模块，以便与控制中心进行通信。
3. 应用软件：应用软件是用户与智能家居控制系统进行交互的界面，可以通过
手机应用、网页端、语音控制等多种方式与控制中心进行交互。
三、ZigBee技术在智能家居控制系统中的应用
基于ZigBee技术的智能家居控制系统具有以下优点：
1. 可靠性高：ZigBee技术采用的是短距离、低功耗的无线通信方式，能够有效降低信号干扰，提高通信的可靠性。
2. 安全性好：ZigBee技术支持AES-128加密算法，在数据传输过程中进行加密，能够有效保护用户隐私和数据安全。
3. 扩展性强：ZigBee技术可以支持多个网络节点，可以随意扩展，支持动态网络拓扑结构，满足不同家庭的不同需求。
4. 节能环保：ZigBee技术采用低功耗的无线通信方式，能够大大降低能耗，减少电池更换的频次，从而节约资源，降低环境污染。
在智能家居控制系统中，基于ZigBee技术的设备可以与其他采用相同技术的
设备互相通信，从而实现各类设备之间的协同工作，提高智能家居控制系统的整体效率。
四、智能家居控制系统的未来发展
目前，智能家居控制系统还处于起步阶段，尚有许多问题需要解决。
随着物联
网技术的不断发展，智能家居控制系统的功能和应用场景将会越来越多元化。
未来，我们可以期待智能家居控制系统能够更加人性化、多样化，从而更好地满足人们日常生活的需求。
总之，基于ZigBee技术的智能家居控制系统具有广泛的应用前景和市场潜力，是未来智能家居领域的一大趋势。
相信随着技术的不断创新和应用场景的不断扩展，智能家居控制系统将会成为智能生活的一个重要组成部分。