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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)居住功能的基礎(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居住環(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)通信更加靈活、成本更低，其逐漸成為智能家居的主流趨勢(shì)。Zig Bee 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 Zig Bee 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 瀏覽器，就可達(dá)到對(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 Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式 WEB 服務(wù)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
Zig Bee 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 協(xié) 議 棧Z-Stack,采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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 Zig Bee 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)
2.1 Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)
Zig Bee 模塊采用 TI 公司的 CC2530 單片機(jī)。CC2530 單片機(jī)集成了 8051 增強(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 .硬件結(jié)構(gòu)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，從而判斷家中是否有人。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。
控制模塊采用繼電器 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)
Zig Bee 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增強(qiáng)型單片機(jī)STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的優(yōu)勢(shì)，其工作頻率可達(dá)到 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、豐富的增強(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模式，最高速度可達(dá) 10Mb/s 的 SPI 接口，內(nèi)置 8 KB 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)
3.1 Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
Zig Bee 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].Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)的組建主要由 Zig Bee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)層為新加入的節(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 Zig Bee 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_Start Device（） 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)加入構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)加入網(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，查找是否有可加入的 Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)，如果有 Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)就自動(dòng)加入，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 Lw IP 協(xié)議棧。Lw IP 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，適合在嵌入式系統(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，并按照處理器資源與實(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)用戶在瀏覽器中輸入 IP 地址來訪問 WEB 服務(wù)器，Lw IP 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 HTML 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)送到瀏覽器[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 Zig Bee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 Zig Bee 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 瀏覽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，這種方式靈活、方便、成本低，具有廣闊的應(yīng)用空間。
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