作者：马静

来源：《科技创新与应用》2017年第04期

        摘 要：文章首先介绍了智能家居系统开发中所使用的关键技术，Zigbee技术和CC2530芯片，然后以感知层、网络层和应用层的角度分析了Zigbee无线网络智能家居系统的设计，对于系统的物理实现主要通过传感器、Zigbee节点、Zigbee协调器和家庭网关组成，软件实现主要通过Z-Stack协议栈软件和IAR开发环境完成。

        关键词：Zigbee；智能家居；CC2530

        引言

        随着无线传感网络和电子信息技术的发展，智能家居已悄然进入人们的生活。早晨智能家居系统为您准时自动开启窗帘，使您在温馨的阳光中苏醒，当您上班或外出时，智能家居系统可实时监测家中的一切状况。家中若有小偷光顾或可燃气体泄漏，您可通过手机及时获得警报信息，当您走在回家的路上，可通过手机打开家中的制冷或采暖设备。智能家居的出现正在改变我们的生活，而且一个出色的智能家居系统的设计能够使我们的生活更加安全、环保、舒适和便利。

        1 关键技术分析

        智能家居是通过无线网络技术、传感器技术、计算机技术、智能控制技术和综合布线技术，将家居中所要使用的硬件设施实现智能化控制和管理，从而达到合理安排时间、优化人类生活等目的。智能家居的关键技术包含以下几个方面。

        1.1 Zigbee技术

        Zigbee这一名称来源于蜜蜂与同伴传递方位信息的方式，它实际上是一种能量消耗低、通信距离短、组网复杂度低、低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备的无线网络技术。Zigbee协议的介质访问层（MAC）和物理层（PHY）由IEEE 802.15.4标准定义，应用层（APL）、应用汇聚层（APS）、网络层（NWK）协议由Zigbee联盟负责制定。

        Zigbee设备类型主要包括协调器、路由器和设备终端，协调器（Coordinator）是Zigbee无线网络的第一设备，负责启动和配置网络，在启动网络时协调器需要选择信道和PAN ID（个域网标志符），然而只要任务完成协调器的作用就仅相当于一个路由器；路由器（Router）负责将节点设备添加到Zigbee网络之中，并协助其下一级终端设备通讯；终端设备（End-Device）不需要对网络结构负责，通常处于休眠状态，需要工作时才会被唤醒。

        1.2 CC2530芯片

        CC2530芯片是ZigBee新一代SOC芯片的片上系统解决方案，是理想ZigBee专业应用，支持IEEE 802.15.4标准，CC2530具有业界领先的高性能RF收发器和8051微处理器，8 kBRAM，256 kB系统可编程闪存，以及强大的支持功能和外设。CC2530具有很多特性：（1）出色的接收灵敏度和抗干扰能力（2）低功耗长时间运行的系统，即睡眠模式下最低功耗1微安（3）强大的短距离组网功能（4）强大的外设，拥有5通道DMA、MAC 定时器，通用定时器、还具有IR发生电路，32kHz睡眠定时器等。（5）应用范围广，可应用于2.4-GHz IEEE 802.15.4 系统、RF4CE 远程控制系统、ZigBee系统、智能楼宇等。由于CC2530所具有的诸多特性，因此本系统选用CC2530 作为核心硬件组成部分。

        2 系统结构设计

        智能家居系统的结构如图1所示，该系统的设计可分为三个层次，分别为感知层、网络层和应用层。（1）感知层的主要组成部分包括由Zigbee协调器组成的无线网络、Zigbee节点、传感器。感知层的主要工作原理为，通过Zigbee节点将各个传感器或家用设备所采集的数据信息上传至网络层，到达应用层之后进行处理，下达的处理信息再由网络层传输至物理层的Zigbee节点，Zigbee节点将处理信息发送给家用设备，从而完成相应的用户操作；Zigbee协调器负责组建Zigbee无线网络，并与家庭网关相连。（2）网络层的主要组成部分包括Zigbee无线家庭内网、Internet和移动网络，这三部分通过家庭网关相连，家庭网关可将无线家庭内网中所采集的信息进行汇集和处理，再向Internet和移动网络进行传送。（3）应用层的主要实现包括智能门禁、家庭安防、家用电器控制、照明系统控制、火灾及有害气体警报、智能电表水表等。

        3 系统的实现

        本系统的物理实现是在各个家居设备上部署各种类型的传感器节点，使用无线传感网络对传感器节点进行信息采集，把收集到的数据发送给家庭网关，并进行集中式控制处理；系统服务器使用Zigbee无线网关，其中采用以太网接口的Zigbee协调器是整个网络的主控节点。本系统的家居内部网络软件实现主要通过Z-Stack协议栈软件和IAR开发环境完成，Z-Stack协议栈软件是由美国德州公司（TI）推出的基于CC2530开发平台的Zigbee协议栈软件，使用Z-Stack有助于开发者实现具体的实际应用，IAR是带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境，是全球领先的嵌入式开发工具软件。Z-Stack协议栈具体实现是通过其内部的main函数的系统初始化和轮转查询式操作完成，从而完成所有网络层的事件功能。

        本系统的实际应用可实现以下功能，（1）智能门禁，智能门禁系统由IC卡阅读器、加密IC卡、门禁机等组成，可实现IC卡识别功能。门禁机通过IC卡来识别身份。来人先在IC卡阅读机上刷卡，刷卡时IC卡阅读器采集IC卡内部信息。然后将采集的IC卡信息与信息库中的信息对比，如果对比成功门禁机自动开门，反之拒绝开门。（2）家庭安防，此系统是指在房屋室内外布有摄像头监测节点，一旦有人靠近或进入室内，节点会发出警报信息上传至Internet，用户可通过智能手机及时获得。（3）家用电器控制，此系统是指用户无论身处何地均可通过智能手机开启或关闭家中的所有电器。（4）火灾及有害气体警报，此系统是指家中的有害气体传感器和温湿度传感器可实时进行监测，一旦出现异常立即将警报上传至网络。

        4 结束语

        本文提供了一种基于Zigbee无线网络智能家居系统的有效解决方案，使用户能够感受到智能家居所带来的舒适和便利，实践表明该系统的设计可有效解决智能家居中存在的诸多问题，能对智能家居的开发者和学习者提供依据。

        参考文献

        [1]万涛.基于Zigbee无线网络智能家居系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

        [2]魏艳伟.基于传感网的智能家居技术研究[D].北京：北京理工大学， 2015.

        [3]朱佳鸽.基于物联网的智能家居系统的设计与实现[D].西安：长安大学，2013.

        [4]陶治.基于Android和Internet的智能家居监控系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2016（01）：199-120.下载本文