基于ZigBee的物联网智能家居控制系统
摘 要： 设计了一种基于ZigBee的物联网智能家居控制系统的总体方案，通过分析各种无线通信技术的特点和应用场合，设计了以Linux系统为核心、以ZigBee无线通信技术进行信号传输并以GPRS通信技术进行系统远程监控的物联网智能家居控制系统，实现了对智能家居的统筹管理，体现了智能家居的网络化、人性化和智能化。关键词： 物联网；智能家居；ZigBee；GPRS；嵌入式操作系统
智能家居控制系统上世纪 80 年代兴起于欧洲及日本，并在上世纪90年代末进入我国，目前国内外的智能家居控制系统大多数采用有线方式布局，存在布线麻烦、控制效率低、维护困难等问题[1]。针对旧有的物联网智能家居控制系统存在的各种缺点，本文提出了一种更加完善的物联网智能家居控制系统方案。1系统总体设计 在本设计中，物联网智能家居控制系统由安装在室内的智能控制终端组成，该智能终端主要包括ZigBee无线通信、家庭网关、以太网通信、本地控制单元和GPRS无线通信单元等。 家庭网关是整个家居控制系统的核心，它不仅负责内部网络与外部网络之间的相互通信，而且还通过ZigBee无线通信网络对设备终端进行实时监控和管理。家居内的各种智能用电器通过无线网络互相连接，交换信息。家居安保系统将门禁控制、可视对讲、防盗、防火、防风雨等一系列系统有机整合，保证家居的安全性。安装在室内的各种传感器均通过ZigBee无线通信网络与ARM控制器通信连接，当传感器探测到室内有异常情况时便通过ZigBee通知ARM控制器，ARM控制器根据不同的信号做出各种相应的处理。借助于家庭网关，用户可以利用计算机通过以太网对家居内各种家用电器实施远程操作或对室内进行远程监控。当用户不方便利用计算机时，还可以经智能手机通过GPRS无线网络实现对家居的远程监控。本系统还设有友好的图形用户界面(GUI)，该界面能够显示系统内各部件的运行信息，用户可以方便地对家居内设备的运行情况进行查询。2 系统硬件设计 系统硬件结构图。本设计中家庭网关的控制模块采用韩国三星公司的S3C2440，它是16/32位微处理器芯片，该芯片的CPU采用的是ARM920T内核，比一般的单片机运行速度快(主频可达405 MHz)，能够很好地满足系统对实时性的要求。同时，S3C2440芯片还具有三通道UART、两通道SPI、两路全速USB主设备芯片，可以方便地对外围设备进行扩展[2]。因此，针对本文中家庭网关的设计要求，在此芯片的基础上加入了电源模块、按键与显示模块、以太网模块、无线传输模块、报警模块和GPRS模块等一系列相关外
围设备。S3C2440还具有内存管理单元(MMU)，可以很好地运行Linux嵌入式操作系统，而且对图形界面的开发也很方便，同时其性能高、功耗低和价格低的特点也完全符合本系统的设计要求。
2.1 ZigBee模块 ZigBee技术是一种新兴的近距离无线通信技术。它是IEEE 802.15.4协议的代名词,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，用以实现在数千个微小的传感器之间互相协调的通信[3]。 ZigBee具有功耗低、传输速率低等特点，还可以在设备闲暇时期进入休眠状态，仅靠两节5号电池就可以使ZigBee连续工作半年时间。除此之外，ZigBee的通信响应时间非常短，仅为30 ms左右，而蓝牙需要3 s，WiFi更是需要10 s。通过分析与比较并结合家居的具体环境发现，在所有的短距离无线通信技术中，ZigBee技术是最适合应用于物联网智能家居控制系统中的。 从网络结构方面上看，ZigBee技术支持的网络形式有星状、树状和网状三种。在本系统中采用了星状网络结构形式。星状网络由一个PAN协调器和多个终端设备组成[4]。在该结构中，当第一次激活一个全功能设备时，它会自动建立一个网络，该网络以其自身为PAN协调器，并且与当前其他的星形网络相互独立。该网络只允许PAN协调器与终端间的通信，终端设备之间需要经过PAN协调器这个中转站进行通信。星状网络通常应用在节点数目较少的场合，其同步和控制相对比较简单。本系统采用的星状网络结构主要涉及ZigBee网络中的两种逻辑设备类型，即协调器节点与终端节点。协调器与家庭网关通过RS232串行口进行数据传输，主要负责搜索有效信道和终端节点，创建内部无线网络，实现数据的转发功能。终端节点负责接收协调器传来的命令，对相应位置的用电器开关和温度传感器进行控制，然后把对应的开关状态信息和温度值信息反馈到协调器节点，最后把信息转发到家庭网关。 本系统采用美国德州仪器公司生产的CC2530来进行通信数据的收发。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系统，支持IEEE802.15.4标准，其内部集成了一个抗干扰性和灵敏度都较高的RF收发器和一个标准增强型8051微处理器，拥有2个USART、12位的ADC和21个通用GPIO等较丰富的外设接口，并且支持4种供电模式，能够友好地支持低功耗无线通信。对于CC2530的射频信号收发而言，因为CC2530将无线收发模块与8051内核集成在同一个芯片之中，因此大大简化了电路的设计。天线将接收到的无线射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理之后,中频信号只有2 MHz了，此信号再经滤波、放大、A/D变换、自
动增益控制、数字解调及解扩后，最终过滤出正确的数据，从而使得该系统的各个节点正常工作。2.2 电源模块 电源是整个系统的核心部分，关系到系统的正常运行。本系统在设计电源电路时主要考虑以下两个方面：(1)提高系统的运行稳定性,在设计电源模块时加入了滤波电路和稳压电路；(2)实现低成本、高效率、简化电路设计的目的，采用稳定性较高的5 V直流电压作为输入电压。由于S3C2440及部分外围器件需要3.3 V电源，在本系统中选用Linear Technology公司生产的LT1085-3.3型DC-AC变换器来输出3.3 V电压。因为无线智能家居供电系统需要具备供电方便、续航能力强等特点，所以本系统中的无线传感节点采用充电电池与太阳能电池板相结合的供电模式，这样设计的优点是成本低廉并且无需人工干预，体现了智能化与人性化的特点。2.3 以太网接口电路 以太网是一种计算机局域网组网技术,是建立在CSMA/CD机制上的广播型网络[5]。以太网接口是物联网智能家居中一个非常重要的功能模块，它能够实现系统的远程登录、资源的管理与共享，还能够完成系统的更新下载等功能。但是，本系统中所使用的S3C2440芯片自身并不带有网络接口，要想得到相应的网络接口必须对其进行扩展。 理论上讲,直接把以太网水晶接头RJ45和以太网芯片DM9000相连便可实现网络接口的功能。但在本系统中采用的是DM9000+H1102网络隔离变压器+RJ45的结构，其连接框图。这样的设计有以下优点： (1)信号强度增加，可以传输到更远的地方； (2)由于与芯片发生隔离，使抗干扰能力增强，而且对芯片起到了保护作用； (3)当连接不同电平的网口时，可以避免对设备造成不良影响。
DM9000是一款完全集成的和符合成本效益的单芯片快速以太网MAC控制器，该芯片支持8位、16位以及32位接口访问内部存储器，因此能够支持不同处理器。DM9000支持IEEE 802.3x全双工流量控制，用户可以轻松地移植端口驱动程序。2.4 GPRS模块 GPRS作为移动数据的主要承载方式之一，与其他的通信方式相比，具有一系列的优点，如实时传输、覆盖范围大、运营费用低等，而且支持数据、短消息、语音甚至是传真等通信方式。本系统选用工业级双频GPRS模块西门子MC35i,该模块支持标准的3 V SIM卡和标准AT指令集,而且工作性能与温度特性稳定,其与S3C2440采用串口方式连接。串行线经电平转换可与RS232串口直接相连。S3C2440通过异步收发器为GPRS modem拨号上网提供串口，用户可以通过置于芯片内的状态寄存器进行操作状态的判断和错误定位。3 系统软件设计 由于智能家居系统中各个任务都是相对独立的，因此采用模块化设
计，这样设计不仅层次清晰、维护方便，而且大大提高了系统的工作效率。在该系统中，各家用电器与各传感器等分别作为独立的节点，各节点经ZigBee模块与系统进行通信，实现对各家电的控制及各传感器的信息反馈，系统流程图。
本系统采用嵌入式Linux操作系统作为开发平台，其内核代码非常庞大，并且驱动程序非常丰富，可支持各种不同的主流硬件设备与最新的硬件技术，而且其内核代码是全部开放的，用户可以根据自己的需要对内核进行方便的修改，开发出自己所需的嵌入式系统。 ZigBee协调器在系统中起通信媒介的作用，主要负责控制中心与各子系统之间的通信，控制中心对家居中各设备的监控与控制都是在ZigBee协调器进行命令解析之后完成的。由于本系统的设计是建立在Linux系统之上的，ZigBee协调器的驱动模块加载。
模块加载时首先需要调用函数init_module，然后将设备及文件系统注册到内核中，由于程序设计中采用中断定时，因此要用到request_irq 函数申请中断，打开设备之后用户就可以进行读和写操作了。4 系统测试结果 为了验证本系统的准确性，对其进行模拟试验。由中央控制管理系统发送指令至控制中心，然后经过协调器转发至ZigBee终端节点，终端节点完成数据的接收工作之后，再经过串口将数据发送到PC机，在PC机上将控制中心发送的数据与ZigBee终端节点接收到的数据进行比较，进行多次测试之后，结果如表1所示。 由表1显示的数据可知，各个节点之间的干扰较低，系统运行稳定，通信结果准确，完全符合智能家居的控制要求。
根据智能家居的控制特点，设计了以S3C2440微处理器为控制核心的智能家居控制系统，该系统运用ZigBee技术，实现了控制中心与各子系统的本地通信;运用GPRS技术实现了对智能家居的远程监控；采用Linux嵌入式操作系统,使该系统操作简单、成本低廉且易被用户接受。经试验测试，本系统能够很好地胜任智能家居的监控工作，大大提高了控制系统的工作效率及精确度，可被广泛应用于智能家居系统中。