ZigBee技術(shù)支持下智能家居系統(tǒng)構(gòu)建論文

ZigBee技術(shù)支持下智能家居系統(tǒng)構(gòu)建論文ZigBee技術(shù)支持下智能家居系統(tǒng)構(gòu)建論文0引言隨著電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家庭生活有關(guān)的設(shè)備結(jié)合起來，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，它在保持了傳統(tǒng)寓居功能的基礎(chǔ)上，提供了全方位的信息交換功能，優(yōu)化了人們的生活方式和寓居環(huán)境。在智能家居中，通信網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用無線組網(wǎng)方式使得網(wǎng)絡(luò)通信愈加靈敏、成本更低，其逐步成為智能家居的主流趨勢(shì)。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，在智能家居中運(yùn)用廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是通過ZigBee技術(shù)組建的無線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式WEB服務(wù)器通信，用戶只需通過訪問Web閱讀器，就可到達(dá)對(duì)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和對(duì)家電設(shè)備的控制，非常方便與高效。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)主要包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式WEB服務(wù)器，系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖1所示。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)遵循TI公司的ZigBee2007協(xié)議棧Z-Stack,采用星型拓?fù)錁?gòu)造，包括協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)[1].協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式WEB服務(wù)器，并轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的控制命令給終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并接收協(xié)調(diào)器的控制命令并執(zhí)行。終端節(jié)點(diǎn)連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用于測(cè)量家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，連接繼電器模塊控制家用電器。嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)是在STM32微控制器上移植TCP/IP協(xié)議，通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，通過以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，用戶使用電腦、手機(jī)等監(jiān)控設(shè)備與終端設(shè)備交互。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)ZigBee模塊采用TI公司的CC2530單片機(jī)。CC2530單片機(jī)集成了8051加強(qiáng)型內(nèi)核微控制器、RF射頻收發(fā)器、片內(nèi)可編程閃存、8KRAM、5通道DMA、8路12位分辨率AD等強(qiáng)大功能的一款射頻單片機(jī)[2].2.1.1終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)測(cè)量家庭環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度、紅外感應(yīng)信號(hào)、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并傳遞給協(xié)調(diào)器，接收協(xié)調(diào)器發(fā)回的命令來控制家用電器.硬件構(gòu)造圖如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)連接的傳感器模塊有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器。溫濕度傳感器采用DHT11,它是1款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11通過單總線直接與CC2530的P1.1引腳相連接。煙霧傳感器采用MQ-2,它的探測(cè)范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性強(qiáng)，可用于液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等氣體的泄漏監(jiān)測(cè)。MQ-2與CC2530的P0.7引腳相連接。熱釋電傳感器采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，它能檢測(cè)人發(fā)射的紅外線，進(jìn)而判定家中能否有人。HC-SR501與CC2530的P0.5引腳相連接。光照傳感器采用光敏電阻，光敏電阻使用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作，它在光線的作用下其阻值減小，在黑暗的環(huán)境里，它的電阻值增高。光敏電阻與CC2530的P0.1引腳相連接?？刂颇K采用繼電器SRD-05VDC-SL-C來控制大功率的電器設(shè)備，繼電器與CC2530的P1.5引腳相連接。2.1.2協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)調(diào)度各節(jié)點(diǎn)工作，其通過串口連接STM32單片機(jī)的USART2,在設(shè)置好相應(yīng)的波特率等參數(shù)后，通過TXD和RXD引腳與STM32通信，轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)與接收控制命令。協(xié)調(diào)器與STM32的通信接口電路如圖3所示。2.2嵌入式WEB服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)2.2.1微控制器模塊微控制器采用了STM32加強(qiáng)型單片機(jī)STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的優(yōu)勢(shì)，其工作頻率可到達(dá)72MHz,具有內(nèi)置高速存儲(chǔ)器、128K字節(jié)的閃存、20K字節(jié)的SRAM、豐富的加強(qiáng)I/O端口和外設(shè)，2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器、1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN.2.2.2以太網(wǎng)接口模塊以太網(wǎng)接口采用了ENC28J60芯片，ENC28J60是帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，它集成了MAC和10BASE-TPHY、接收器和沖突抑制電路，支持全雙工和半雙工形式，最高速度可達(dá)10Mb/s的'SPI接口，內(nèi)置8KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM,可配置發(fā)送/接收緩沖器大小、用于快速數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)部DMA、硬件支持IP校驗(yàn)和計(jì)算等[3].ENC28J60與STM32通過SPI接口連接，引腳連接圖如圖4所示。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在OSI參考模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用分層的思想實(shí)現(xiàn)，各層從上到下分別是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制層、物理層[4].ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建主要由ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層為新參加的節(jié)點(diǎn)分配地址、提供路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等。協(xié)調(diào)器是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也是主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立及參數(shù)配置[5].協(xié)調(diào)器通電后首先進(jìn)行初始化，包括CC2530芯片初始化、協(xié)議棧初始化、串口初始化和硬件初始化等，然后調(diào)用osal_start_system〔〕函數(shù)進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用ZDO_StartDevice〔〕函數(shù)啟動(dòng)設(shè)備，建立網(wǎng)絡(luò)，并允許其它終端節(jié)點(diǎn)參加構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)參加網(wǎng)絡(luò)后為其分配地址，然后接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的命令。協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5所示。終端節(jié)點(diǎn)上電完成初始化工作后，查找能否有可參加的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，假如有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)就自動(dòng)參加，然后采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，當(dāng)接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令后，執(zhí)行控制操作。終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。3.2嵌入式WEB服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)Web服務(wù)器是在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種應(yīng)用程序。軟件設(shè)計(jì)分為3部分：以太網(wǎng)接口芯片驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)處理。實(shí)現(xiàn)ENC28J60芯片驅(qū)動(dòng)程序主要是編寫驅(qū)動(dòng)文件，函數(shù)模塊包括讀控制寄存器、向以太網(wǎng)控制器寫入命令、讀取buff的數(shù)據(jù)、向buff寫入數(shù)據(jù)、讀取控制寄存器的內(nèi)容、寫入數(shù)據(jù)到控制寄存器、向PHY寫入控制參數(shù)、初始化以太網(wǎng)控制器、發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)、接收數(shù)據(jù)包函數(shù)。實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧是在微控制器上移植LwIP協(xié)議棧。LwIP是一個(gè)小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，它體積小，占用內(nèi)存小，合適在嵌入式系統(tǒng)中使用[6].移植要點(diǎn)是：復(fù)制opt.h文件到新建的lwipopt.h文件，并根據(jù)處理器資源與實(shí)際需求進(jìn)行修改；編寫網(wǎng)絡(luò)處理文件netconfig.c與對(duì)應(yīng)的頭文件netconfig.h,主要是初始化lwip協(xié)議棧、系統(tǒng)時(shí)鐘中斷處理等；修改ethernetif.c文件的相關(guān)函數(shù)：網(wǎng)卡初始化函數(shù)〔low_level_init〕、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)〔low_level_output〕、接收數(shù)據(jù)函數(shù)〔low_level_input〕、數(shù)據(jù)輸入處理函數(shù)〔ethernetif_input〕。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)處理流程是：當(dāng)用戶在閱讀器中輸入IP地址來訪問WEB服務(wù)器，LwIP協(xié)議棧首先對(duì)請(qǐng)求信息進(jìn)行解封裝處理后傳送到HTTP任務(wù)模塊，HTTP任務(wù)中的CGI程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后選擇對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁數(shù)組文件應(yīng)答，網(wǎng)頁數(shù)組中的內(nèi)容是采用語言編寫的網(wǎng)頁文件，最后通過TCP/IP協(xié)議將網(wǎng)頁文件發(fā)送到閱讀器[7].嵌入式WEB服務(wù)器的工作原理如圖7所示。4結(jié)語本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)、采集環(huán)境數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程無線傳送，通過串口與嵌入式WEB服務(wù)器通信，用戶通過任何1臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦和手機(jī)采用WEB閱讀的方式就能訪問終端環(huán)境數(shù)據(jù)，并能及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)送控制命令，這種方式靈敏、方便、成本低，具有廣闊的應(yīng)用空間。參考文獻(xiàn)：[1]高天宇,李煥良,邵立福,等.基于單片機(jī)與ZigBee的輪式裝載機(jī)載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2016,10:69-72.[2]郭國(guó)法,許萌,張開生.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,11:513-518.[3]管立偉,盧宇,吳進(jìn)營(yíng),等.基于STM32的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕，2016,04:23-28+38.[4]趙榮陽,王斌,姜重然.基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,06:244-24