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二、基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計
智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新定義，參考ZigBee技術的特點，設計出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網絡系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。因此，本系統(tǒng)可以稱為是智能家居。
1 系統(tǒng)設計方案
??? 該系統(tǒng)設計由家庭內被控制設備和遠程控制設備組成。其中家庭內被控制設備主要有能訪問Internet的計算機、控制中心、監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器。遠程控制設備主要由遠程計算機和手機組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。
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??? 系統(tǒng)的主要功能有：1)網頁前臺頁面的瀏覽，后臺信息管理；2)通過Internet和手機兩種遠程控制方式實現室內家用電器、安防和燈光的開關控制；3)通過RFID模塊實現用戶識別，從而完成室內安防狀態(tài)的開關，在盜賊入侵時通過短信息(SMS)向用戶報警；4)通過中央控制管理系統(tǒng)軟件完成室內燈光及家電的本地控制和狀態(tài)顯示；5)利用數據庫完成個人信息存儲和室內設備狀態(tài)存儲，通過中央控制管理系統(tǒng)方便用戶查詢室內設備狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件設計
??? 系統(tǒng)硬件設計包括控制中心、監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器(這里以電風扇控制器為例)的設計。
2．1 控制中心
??? 控制中心主要功能有：1)組建無線ZigBee網絡，把所有監(jiān)控節(jié)點加入網絡中，并實現新設備的接收；2)用戶身份識別，用戶在離家或歸來時通過用戶卡實現室內安防的開關；3)當有盜賊入侵室內時，通過向用戶發(fā)送短信息報警。用戶也可通過短信息控制室內安防、燈光及家電；4)系統(tǒng)單機運行時，液晶顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶查看；5)存儲電器設備狀態(tài)并發(fā)送至PC機，以實現系統(tǒng)聯(lián)機。根據控制中心的功能設計出它的組成框圖如圖2所示。
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?選用TI公司的CC2430單片機作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內核的單片機。也是一款符合IEEE802．15．4規(guī)范的2．4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測(CSMA／CA)，2．0～3．6 V的工作電壓有利于實現系統(tǒng)低功耗。通過連接在控制中心的ZigBee協(xié)調器模塊，在室內建立無線星形ZigBee網絡．并將所有監(jiān)控節(jié)點、選擇添加的家用電器控制器作為該網絡中的終端節(jié)
點加入網絡中，從而實現室內安防及家電的無線ZigBee網絡控制。
??? 控制中心MCU采用8位單片機ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結構的單片機，大多數指令可在1個時鐘周期內完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系統(tǒng)內可編程Flash，4 K字節(jié)的EEPROM和2個串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協(xié)調器和PC機相連，是整套硬件系統(tǒng)的核心，完成對中央控制管理系統(tǒng)的響應和對各模塊的驅動。GSM模塊采用TC35i模塊。它通過串行UART接口直接與控制中心MCU相連。RFID模塊采用ZLG500模塊，其內部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫RC500內的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用標準SPI接口規(guī)范，故只能與單片機的通用I／O接口相連才能實現通信。液晶模塊選用1602液晶，采用4線接口與控制中心MCU的通用I／O接口相連。ZigBee協(xié)調器與控制中心MCU采用2線接口即可實現兩者間的數據雙向傳輸。控制中心MCU與計算機RS232串口相連，傳輸數據穩(wěn)定、可靠，實時性好。
2．2 監(jiān)控節(jié)點
??? 監(jiān)控節(jié)點的功能有：1)人體信號的檢測，當盜賊入侵時進行聲光報警；2)燈光的控制，其控制方式分為自動控制和手動控制，自動控制是根據室內光線的強弱自動打開／關閉燈光，手動控制是通過中央控制管理系統(tǒng)實現燈光控制：3)將報警信息及其他信息發(fā)送至控制中心，并接收來自控制中心的控制指令以完成設備控制。從監(jiān)控節(jié)點的功能出發(fā)，監(jiān)控節(jié)點組成如圖3所示。
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??? 紅外加微波的探測模式是目前在人體信號檢測時最常用的方式。熱釋電紅外探頭這里選用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V電壓供電，內置熱釋電雙敏感紅外元件，當元件接收紅外光時在每個元件兩極發(fā)生光電效應而積累電荷。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。它與RE200B及少量元件就可構成被動式熱釋電紅外開關。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10 GHz，建立時間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復合使用，可有效降低目標探測錯誤率。
??? 燈光控制模塊主要由光敏電阻和燈光控制繼電器組成。將光敏電阻與10 kΩ的可調電阻串聯(lián)，再將光敏電阻另一端接地，可調電阻另一端接高電平。通過單片機的模數轉換器獲取兩個電阻連接點的電壓值，從而判定當前燈光是否打開?？烧{電阻可供用戶調節(jié)，以滿足用戶設置燈光剛剛打開時的光線強度。室內燈光的開關通過繼電器控制。只需一個輸入輸出口即可實現。
2．3 選擇添加的家用電器控制器
??? 選擇添加的家用電器的控制主要根據設備功能實現設備控制，這里以電風扇為例。電風扇控制就是控制中心將上位機下達的電風扇控制指令通過ZigBee網絡發(fā)送至電風扇控制器實現，不同的家電識別碼是不同的，例如，本協(xié)議規(guī)定電風扇的識別碼是122，家用彩電的識別碼是123，這樣就實現控制中心對不同家電的識別。而對于相同的指令代碼，不同家電執(zhí)行的功能是不一樣的。圖4為選擇添加的家用電器組成。
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3 系統(tǒng)軟件設計
??? 系統(tǒng)軟件設計主要包括6部分，分別為遠程控制網頁設計、中央控制管理系統(tǒng)設計，控制中心主控制器ATMegal28程序設計、CC2430協(xié)調器程序設計、CC2430監(jiān)控節(jié)點程序設計、CC2430選擇添加設備的程序設計。
?3．1 ZigBee協(xié)調器的程序設計
??? 協(xié)調器首先完成應用層初始化，將應用層狀態(tài)和接收狀態(tài)設為空閑，然后打開全局中斷并初始化I／O端口。接著協(xié)調器開始建立無線星形網絡。協(xié)議中，協(xié)調器自動選擇2．4 GHz的頻段，每秒發(fā)送的最大比特數為62 500，默認的個域網網絡號(PANID)是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發(fā)送的字節(jié)數為93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒產生中斷10次。在ZigBee網絡建立成功后，協(xié)調器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協(xié)調器識別為監(jiān)控節(jié)點的一員，它被識別的地址為0。程序進入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點發(fā)送的新數據，如果有，則直接把這個數據傳送至控制中心MCU；判斷控制中心MCU是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應的ZigBee終端節(jié)點；判斷安防是否打開，是否有盜賊入侵，如果有則把報警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動控制狀態(tài)，如果是，則打開模數轉換器進行采樣，采樣值是燈光打開或關閉的關鍵，如果發(fā)生燈光狀態(tài)改變則把新的狀態(tài)信息傳送到控制中心MC-U。ZigBee協(xié)調器程序流程如圖5所示。
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3．2 ZigBee終端節(jié)點的程序設計
??? ZigBee終端節(jié)點是指由ZigBee協(xié)調器控制的無線ZigBee節(jié)點，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節(jié)點的初始化同樣包括應用層初始化，打開中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網絡，需要強調的是：只有和ZigBee協(xié)調器設置一致的終端節(jié)點才能加入到網絡中。如果ZigBee終端節(jié)點嘗試加入網絡失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網絡中。加入網絡成功后，Zi-gBee終端節(jié)點將其注冊信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調器，再由ZigBee協(xié)調器轉發(fā)至控制中心MCU以完成ZigBee終端節(jié)點的注冊。ZigBee終端節(jié)點如果是監(jiān)控節(jié)點，則實現燈光及安防的控制，程序與ZigBee協(xié)調器部分類似，只是監(jiān)控節(jié)點需將數據發(fā)送到ZigBee協(xié)調器，再由ZigBee協(xié)調器將數據傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節(jié)點如果是電風扇控制器，則只需接收上位機的數據，而不必上傳狀態(tài)，故它的控制可以在無線數據接收中斷中直接完成。在無線數據接收中斷中，所有終端節(jié)點都是將接收的控制指令翻譯成對節(jié)點本身的控制參數，在節(jié)點主程序中不對接收的無線指令進行任何處理。
4 聯(lián)機調試
??? 由中央控制管理系統(tǒng)下發(fā)的對固定設備的指令編碼遞增的指令，通過計算機串口發(fā)送至控制中心MCU，并通過兩線接口發(fā)送至協(xié)調器，再由協(xié)調器發(fā)送至ZigBee終端節(jié)點，在終端節(jié)點接收完成時將數據再次通過串口發(fā)送至PC機，在這臺PC機上完成ZigBee終端節(jié)點接收的數據與控制中心所發(fā)送的數據的比較。中央控制管理系統(tǒng)每一秒發(fā)送2條指令，經過5 h的測試，測試軟件顯示共接收數據包數量為36000包時停止測試。多協(xié)議數據傳輸測試軟件測試結果如圖6所示。正確數據包36 000，錯誤數據包數為0，正確率為100％。
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5 結束語
??? 通過ZigBee技術實現智能家居內部組網，具有遠程控制方便，添加新設備靈活和控制性能可靠等優(yōu)點。通過RFTD技術實現用戶身份識別，提高系統(tǒng)的安全性。通過GSM模塊的接入，實現了遠程控制和報警功能。
工商網監(jiān)
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