摘要：基于 Zig Bee 技术，采用星形网络结构设计了一套无线温湿度检测系统。 在硬件上，采用 8051 单片机内核的无线频射芯片 CC2530 组成智能家居网络控制节点。 在软件编程上，节点软件的开发采用了 C 语言，上位机界面的开发采用 C# 语言编程，给出了各模块的设计方案，并对整个系统进行了实地测试。测试结果表明，本系统具有控制方便，超低功耗、组网快捷，能够远程控制和无线传输等优点。
关键词：Zigbee技术；智能家居电器；控制系统；设计
1概述
随着互联网和信息技术的发展，人们对生活环境提出了更高的要求，简单而智能的生活环境是人们所向往和推崇的，Zig Bee 技术在智能家居系统设计中的应用，可以为人们提供一个智能化的环境。 在进行智能家居系统设计时，应该充分考虑到该智能家居系统的功能特性和应用领域，借助 Zig Bee 技术来优化智能家居系统设计方案，Zig Bee 的通信协议在电子产品和家用智能电器中得到很好的运用，它将系统中的各种单位融合在一起，组成一个共享的网络。 该通信协议将目前家庭孤立的家用电器通过技术手段连接在一起，将它们组成一个统一的自动控制智能系统，充分运用互联网技术来对各类电器进行远程控制和监控，方便了对电器的使用操作，体现了智能的体验和感受。 Zig Bee 技术不但在智能家居行业得到有效应用，还有很多其他领域的应用。
2 系统设计
2.1 系统功能分析
用户通过遥控器选择不同的节点，被选中的节点 led 灯亮，以提示用户该节点为当前被选中的节点，用户可以按下遥控器不同的按键，对连接在该节点上的设备进行需要的操作。用户可以通过遥控器调节照明灯的亮度、打开或关闭风扇以及打开或者关闭窗帘。一个遥控器可以同时控制不同的节点；一个节点可以同时连接不同的设备。
2.2系统工作原理
系统主要由 STM32 上位机和遥控器、Zigbee 协调器以及节点和设备三部分组成。系统初始化时，Zig Bee 协调器组建网络，Zig Bee 节点加入网络，加入成功后，会把自己的地址发送给协调器，协调器接收并保存全部节点的地址，以备之后解析地址。用户用遥控器通过红外接头和STM32 通信，STM32 接收用户命令，通过串口把要操作的节点和命令发送给协调器，协调器接收消息后，判断用户是切换节点还是操作当前节点，再转换成命令消息，并转发相应的消息到对应的节点，节点接收消息并解析消息，从而控制相应的设备。
3硬件设计
3.1控制器
智能家居的控制器是智能家居远程监控系统的核心，使用嵌入式处理器、声光报警装置、触摸屏、GPRS 模块和 Zig Bee 协调器。中央处理器是智能家居控制器的核心部件，中央处理器负责所有设备的调度任务、控制、数据收发和管理、通信协议的转换等。在设计中采用 S3C6410 为主处理器，型号是 32bit-ARM11 微处理器，功能强大。人机接口采用触摸屏，触摸屏能够显示各种信息，方便用户的信息输入。控制器有 GPRS 模块、Zig Bee 协调器两个通信模块。Zig Bee 网络主要由 Zig Bee 协调器组建，在网络中纳入所有的监控模块，收集报警信息、环 境 监 测 信 息 。 数 据 交 互 通 过 ARM11 处 理 器 和RS-232 接口。GPRS 模块中有射频部分、音频部分、SIM 卡接口、主机。使用 SIM300 芯片，完成和 ARM的数据传输。AT 命令和 RS-232 接口，完成短消息的收发。声光报警装置可以利用蜂鸣器、闪烁的红光，警告盗贼，同时也告知用户。
3.2 HS0038红外接收模块
红外接收头采用 HS0038 红外接收探头，红外通信使用 950 纳米的红外线作为无线传输通道，进行调试和解调。红外通信一般有发送端和接收端。发送端把需要发送的数字信号作为基带信号，按照采用脉冲位置（PPM）的方法，来调制按照数字信号发生变换的载波，最后通过发送端把载波转换为红外线，发送出去。接收端的接收二极管接收到信号，经过放大、滤波，把光信号转换为电信号传给解调器，解调器也采用 PPM 方式，还原出原始的数字信号。
3.3 STM32最小系统
晶振电路能够为最小系统提供一个稳定的 8MHz 的外部时钟源；电源电路能够将外部的 5V 电压转换为 3.3v 的芯片工作电压；复位电路提供用户复位系统；红外模块负责接收用户用遥控器发来的信号，调制并换成数字信号，发送给STM32F103 芯片进行处理；STM32F103 作为最小系统的核心，能够解析信号，并通过串口发送信号给协调器。
3.4网关服务器硬件设计
智能网关服务器是一个接口和翻译设备，也是智能家居系统的最核心的设备部分之一。 智能网关服务器通过 TCP/IP 协议与外部 Internet 网络通信，通过 Zig Bee 协议实现对内部 Zig-Bee 网络进行操作，监控和控制智能家居设备 。智能网关服务器平台的硬件架构如图 2 所示，该系统采用ST公司设计的STM32F103ZET6 作为网关服务器的控制核心，采用 ARM Cor-tex-M3 的内核，STM32F103ZET6 的突出特点是其 CPU 采用32位的 RISC 处理器，具有独立的 64KB 数据缓存，集成了 CAN、I2C、SPI、USART、USB 等接口，内置 ADC、DAC、DMA、PWM 等模块，工作温度范围在-40℃～+85℃，非常适合低成本、低功耗的场合应用。
3.5监控模块
监控模块的主要作用是进行信息的检测和采集，并将信息发送给智能家居控制器，并且智能家居控制器的命令，也要由监控模块接收执行，实现智能化的控制家中的电器设备等，构成智能家居监控模块的硬件包括电源、家电控制、安防信息检测、环境信息检测等模块。主控模块采用射频单芯片CC2430，符合IEEE802.15.4要求，数值为2.4 GHz射频。CC2430 单芯片以 51 内核微控制器为基础，整合内存、Zig Bee RF 前端。支持载波监听多路访问和冲突检测，并且硬件电压功耗比较低。无线 Zig Bee网 络 控 制 的 构 建，需 要 连 接 Zig Bee 协 调 器，建 立Zig Bee 网络，对家电进行控制，并实现安防作用。
3.6灯光控制系统
通过控制器实现让对一路灯光进行开关控制，对另外一路灯光进行调光控制，通过使用被动红外探测器，上述一路灯光进行开关控制，做到人来自动开灯，人走延时后自动关灯，或是人走时通过控制器按键关灯。以充分体现智能产品所带来的便利。通过场景控制器实现上述灯光的开关，调光控制，达到一键式场景控制效果；通过手机 APP，对灯光进行远程控制。
3.7窗帘控制系统
通过控制器实现让对窗帘进行开合控制，通过场景控制器实现上述灯光的开关，调光控制；达到一键式场景控制效果，通过手机 APP，对灯光进行远程控制。
3.8音乐控制系统
音乐主要是为用户提供一种休闲舒适放松的居家环境，无论在餐厅、 客厅还是房间，用户能够随手开关的背景音乐更加适合家居环境，提供不超过 4 个的音源选择，包括外部可控制的音源（如 CD、 DVD 等）、 导轨式收音机模块、 触摸屏播放的 MP3 文件、 不需要控制直接输入信号的外部音源（如 MP3 播放器、 手提电脑等）中的其中之一或多个。 背景音乐的控制可以融入到场景控制里，通过背景音乐执行器控制音乐的切换，开关，音量大小的调节，收音机频道的调节，通过场景控制器实现背景音乐的场景调用，通过手机 APP 实现背景音乐的控制。
结束语
总而言之，随着网络信息的发展，通信技术的不断进步，人们越来越
向往智能化的生活，使得智能控制的家居行业引起了人们的广泛关注，智能家居主要是融合了智能化、自动化将家用电器和网络互连，并集合了自动控制、自我管理等服务于一体的便利、节能、使用高效的家居环境。Zig Bee 通信协议的低能耗和诸多良好性能优势均符合智能家居对通信系统技术的要求，能够较好地实现智能控制。基于此，以上内容就基于Zigbee技术的智能家居电器控制系统设计进行了分析。
参考文献：
[1]陆睿. 基于ZigBee的智能家居控制系统研究[D].南京邮电大学，2017.
[2]胡斌斌. 基于ZigBee无线传感网络室内定位研究[D].南京邮电大学，2017.
[3]包汉斌. 基于单片机的日光温室远程监控系统设计[D].沈阳农业大学，2017.
[4]孙建朋. 基于ZigBee和ARM的智能家居系统的设计与实现[D].安徽理工大学，2017.
[5]胡金洋. 基于Zigbee的嵌入式智能家居远程监控系统设计[D].西北农林科技大学，2017.
论文作者:潘海军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：节点论文; 智能家居论文; 模块论文; 系统论文; 控制器论文; 用户论文; 网络论文; 《基层建设》2018年第25期论文;