ZigBee智能家居控制系統(tǒng)技術(shù)分析

1、ZigBee智能家居控制系統(tǒng)技術(shù)分析摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的不斷更新，智能家居行業(yè)也得到了飛速的發(fā)展， 智能家居正在迅速的滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。本文?duì)ZigBee技術(shù)的智能 家居控制系統(tǒng)進(jìn)行了深刻的論述，旨在與廣大同行共同探討ZigBee技術(shù)在短距離、 小范圍、小空間等私人場(chǎng)所的應(yīng)用及提供對(duì)應(yīng)的服務(wù)。關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；智能家居；控制系統(tǒng)一、引言隨著人們居住條件的不斷改善，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā) 展，以及人們生活水平不斷提高，智能家居將成為人們生活方式的一種必然趨勢(shì)。 因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，方便的智能家居控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)極其重要的需求。 Zig Bee技術(shù)

2、具有低功耗、實(shí)現(xiàn)成本低等特征，能夠方便的應(yīng)用于短距離、小范圍、 小空間等家庭或公共場(chǎng)所，并且提供對(duì)應(yīng)的服務(wù)。因此，在智能家居環(huán)境中，這 種技術(shù)的使用能夠方便的完成智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)、控制及監(jiān)控功能，是智能家居 控制系統(tǒng)的首選技術(shù)。二、Zig Bee技術(shù)的概述Zig Bee的命名出自于蜂群網(wǎng)絡(luò)中使用的通信方式。蜂群網(wǎng)絡(luò)通過(guò)不同姿勢(shì)的 動(dòng)作逐個(gè)地發(fā)現(xiàn)并通知目標(biāo)物體的距離、位置和方向等信息，Zig Bee模仿蜂群的 通信方式，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互的傳遞信息，可以將某種信息從一個(gè)節(jié) 點(diǎn)傳輸?shù)搅硗庖还?jié)點(diǎn)。Zig Bee技術(shù)是一種新型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)方案。其中Zig Bee的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)

3、傳輸可靠當(dāng)數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，可以立即進(jìn)行傳輸；每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)都需要等到對(duì)方的 接收確認(rèn)，并且給予確認(rèn)回復(fù)。沒(méi)有則將數(shù)據(jù)重傳一次，這種方法可以提高信息 傳輸性。同時(shí)，Zig Bee為用戶(hù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，這個(gè)大大的避免了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng) 爭(zhēng)與沖突。（2）容量大Zig Bee網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)，Zig Bee網(wǎng)絡(luò)定義了兩種器件：RFD和 FFD。一個(gè)全功能器件可以與其他全功能器件進(jìn)行鏈接，而一個(gè)全功能器件又能 夠與多個(gè)簡(jiǎn)化功能器件連接。如果這種網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 可以支持64000個(gè)Zig Bee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)路。（3）功耗低Zig Bee具有功耗低的特點(diǎn)，在工作模式下，Zig Be

4、e技術(shù)傳輸速率低，在非工 作模式下，Zig Bee節(jié)點(diǎn)會(huì)處于休眠狀態(tài)，休眠激活的時(shí)延大概為15毫秒，活動(dòng) 設(shè)備信道的接入時(shí)延大概為15毫秒。使得Zig Bee的工作時(shí)間較短，這樣就使得 Zig Bee非常省電。（4）具有自組織及自愈功能Zig Bee網(wǎng)絡(luò)具有自組織及自愈功能，可以自動(dòng)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增加和刪除。 并且，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，Zig Bee網(wǎng)絡(luò)可以完成自我修復(fù)的功能，這種特點(diǎn)使得 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)很適合家庭中隨時(shí)增加、移除或移動(dòng)家電的情況。三、ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上來(lái)看，系統(tǒng)核心部分為智能網(wǎng)關(guān)模塊，是系統(tǒng)的總控制器， 負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)連接

5、，能夠利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行終端設(shè)備監(jiān)控管理。該模塊負(fù) 責(zé)對(duì)系統(tǒng)連接的各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且能夠與手持客戶(hù)端進(jìn)行信息交互， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)一管理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備構(gòu) 成，能夠完成內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，為網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)提供支持。 利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⒉杉降男畔鬏斨羺f(xié)調(diào)器，并使節(jié)點(diǎn)完成協(xié)調(diào)器命令 的接收。照明系統(tǒng)控制模塊可以利用系統(tǒng)智能調(diào)光模塊和繼電器實(shí)現(xiàn)家庭燈光控制， 通過(guò)手持客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱，實(shí)現(xiàn)房間燈光照明度的調(diào)節(jié)。風(fēng)扇空調(diào)系統(tǒng)控制 模塊能夠分別實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)控制，可以借助單片機(jī)進(jìn)行風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)，并利用繼電器實(shí)

6、現(xiàn)空調(diào)開(kāi)關(guān)控制管理。實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)操控時(shí)，用戶(hù)可以用 手機(jī)下載客戶(hù)端APP軟件，登錄手持客戶(hù)端界面進(jìn)行系統(tǒng)信息接收。智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）智能網(wǎng)關(guān)模塊智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的總控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的 通信，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。智能網(wǎng)關(guān)主要 由微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、電源模塊、以太網(wǎng)模塊、通信模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和擴(kuò)展接 口等部分組成。ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與家庭ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的通信，能夠監(jiān)控 ZigBee 節(jié)點(diǎn)。（2）手持客戶(hù)端設(shè)計(jì)系統(tǒng)手持客戶(hù)端采用STC12C5A60S2單片機(jī)，能夠?qū)鹘y(tǒng)8051指令進(jìn)行兼容， 同時(shí)數(shù)據(jù)

7、傳輸速度提高8-12倍，功耗較低，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)快速查詢(xún)要求，同 時(shí)也能滿(mǎn)足指令解析和數(shù)據(jù)運(yùn)算需求。在單片機(jī)內(nèi)部，包含復(fù)位電路，能夠利用 高精度ADC滿(mǎn)足光照度傳感器數(shù)據(jù)處理要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換。采用內(nèi)部可編 程計(jì)數(shù)陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)外部定時(shí)器和中斷的控制，滿(mǎn)足時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)傳輸需求。（3）ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee是基于IEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無(wú)線通信技術(shù)，適用于短距離、低 功耗的自動(dòng)控制領(lǐng)域。ZigBee協(xié)調(diào)器能夠組建一個(gè)智能家居內(nèi)部局域網(wǎng)，以便各 個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)又起到承上啟下的作用，負(fù)責(zé)接收STM32通過(guò)串口傳來(lái)的 消息，并將消息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所希望的無(wú)線

8、控制設(shè)備。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（1）ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器程序主要實(shí)現(xiàn)接收STM32數(shù)據(jù)、解析節(jié)點(diǎn)地址和命令和向相應(yīng)的節(jié)點(diǎn) 發(fā)送操作消息功能。協(xié)調(diào)器串口接收到STM32發(fā)來(lái)的消息后，判斷消息是切換當(dāng) 前被選中節(jié)點(diǎn)，還是直接操作命令。如果是切換當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器向上個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā) 送關(guān)閉led燈消息，并關(guān)閉上個(gè)節(jié)點(diǎn)的led燈，之后向要選中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送點(diǎn)亮led 燈消息；如果是直接操作命令，協(xié)調(diào)器向當(dāng)前被選中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)應(yīng)的消息。（2）Android手機(jī)控制端Android手機(jī)端的主要功能有：與服務(wù)器建立連接、查詢(xún)家中情況、控制家中 設(shè)備和對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行配置。手機(jī)端主要有查詢(xún)模塊、控制模塊和配置模塊。

9、（3）系統(tǒng)主控制流程從系統(tǒng)主控制流程來(lái)看，還要采用C51語(yǔ)言完成相應(yīng)程序的編寫(xiě)。系統(tǒng)啟動(dòng) 后，需要對(duì)主控芯片進(jìn)行初始化，完成單片機(jī)串口、定時(shí)器及各端口的初始化處 理。系統(tǒng)各硬件模塊也將得到初始化。系統(tǒng)時(shí)鐘可以設(shè)定為72MHz，串口波特率 初始化為115200kbps。智能網(wǎng)關(guān)微控制器會(huì)接收手持客戶(hù)端發(fā)送的控制命令，并 在串口中斷程序中進(jìn)行命令的執(zhí)行。在系統(tǒng)存在緩存數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)先對(duì)接收到的數(shù) 據(jù)進(jìn)行判斷。確定數(shù)據(jù)為設(shè)備控制指令，會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器模塊，利用協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至終端控制器節(jié)點(diǎn)，確保相應(yīng)命令能夠得到執(zhí)行。結(jié)束語(yǔ)綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠 采用ZigBee通訊模塊降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，為系統(tǒng)各項(xiàng)調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)提供支持。 而設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息采集，并且能夠利用手機(jī)進(jìn)行控制指 令發(fā)送，由系統(tǒng)自行進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此能夠滿(mǎn)足