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ZigBee技术支持下智能家居系统构建

时间:2017-02-11 来源:仪器仪表用户 作者:何勉,许军 本文字数:3516字
  摘要

        0  引言

  
  随着电子技术在现实生活中的广泛应用,智能家居应运而生。智能家居是以住宅为平台,利用计算机技术、网络通讯技术将与家庭生活有关的设备结合起来,通过无线网络实现远程监控,它在保持了传统居住功能的基础上,提供了全方位的信息交换功能,优化了人们的生活方式和居住环境。
  
  在智能家居中,通信网络是整个系统的核心,采用无线组网方式使得网络通信更加灵活、成本更低,其逐渐成为智能家居的主流趋势。Zig Bee 技术是基于 IEEE802.15.4标准的一种低功耗、低速率、低成本的无线网络通信技术,具有强大的组网功能,在智能家居中运用广泛。本系统设计的智能家居系统是通过 Zig Bee 技术组建的无线网络与嵌入式 WEB 服务器通信,用户只需通过访问 Web 浏览器,就可达到对家庭环境数据的监测和对家电设备的控制,非常方便与高效。
  
  1   系统设计方案
  
  系统主要包括 Zig Bee 无线网络和嵌入式 WEB 服务器,系统结构图如图 1 所示。
  
  Zig Bee 无 线 网 络 遵 循 TI 公 司 的 Zig Bee2007 协 议 栈Z-Stack,采用星型拓扑结构,包括协调器与终端节点[1].协调器负责组建家庭内部无线网络,接收终端节点发来的传感器数据,通过串口将数据发送给嵌入式 WEB 服务器,并转发服务器的控制命令给终端节点。终端节点采集环境数据通过无线网络发送给协调器,并接收协调器的控制命令并执行。终端节点连接温湿度传感器、烟雾传感器、热释电传感器、光照度传感器等,用于测量家庭环境数据,连接继电器模块控制家用电器。
  
  嵌入式 WEB 服务器设计是在 STM32 微控制器上移植TCP/IP 协议,通过串口与 Zig Bee 协调器通信,通过以太网接口接入监控网络,用户使用电脑、手机等监控设备与终端设备交互。
  
  2  系统硬件设计
  
  2.1  Zig Bee 无线网络硬件设计
  
  Zig Bee 模块采用 TI 公司的 CC2530 单片机。CC2530 单片机集成了 8051 增强型内核微控制器、RF 射频收发器、片内可编程闪存、8KRAM、5 通道 DMA、8 路 12 位分辨率AD 等强大功能的一款射频单片机[2].
  
  2.1.1  终端节点设计
  
  终端节点测量家庭环境温度、湿度、烟雾浓度、红外感应信号、光照强度等数据,并传递给协调器,接收协调器发回的命令来控制家用电器 .硬件结构图如图 2 所示。
  
  终端节点硬件结构图
  
  终端节点连接的传感器模块有温湿度传感器、烟雾传感器、热释电传感器、光照度传感器。
  
  温湿度传感器采用 DHT11,它是 1 款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,包括 1 个电阻式感湿元件和 1 个 NTC 测温元件,并与 1 个高性能 8 位单片机相连接,具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。DHT11 通过单总线直接与 CC2530 的 P1.1 引脚相连接。
  
  烟雾传感器采用 MQ-2,它的探测范围广、灵敏度高、响应快、稳定性强,可用于液化气、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、烟雾等气体的泄漏监测。MQ-2 与 CC2530 的 P0.7 引脚相连接。
  
  热释电传感器采用 HC-SR501 人体红外感应模块,它能检测人发射的红外线,从而判断家中是否有人。HC-SR501 与 CC2530 的 P0.5 引脚相连接。
  
  光照传感器采用光敏电阻,光敏电阻使用半导体材料制作,利用内光电效应工作,它在光线的作用下其阻值减小,在黑暗的环境里,它的电阻值增高。光敏电阻与 CC2530 的P0.1 引脚相连接。
  
  控制模块采用继电器 SRD-05VDC-SL-C 来控制大功率的电器设备,继电器与 CC2530 的 P1.5 引脚相连接。
  
  2.1.2  协调器设计
  
  Zig Bee 协调器负责调度各节点工作,其通过串口连接STM32单片机的USART2,在设置好相应的波特率等参数后,通过 TXD 和 RXD 引脚与 STM32 通信,转发传感器数据与接收控制命令。协调器与 STM32 的通信接口电路如图 3 所示。
  
  协调器与 STM32 通信接口电路
  
  2.2   嵌入式 WEB 服务器硬件设计
  
  2.2.1  微控制器模块
  
  微控制器采用了STM32增强型单片机STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的优势,其工作频率可达到 72MHz,具 有 内 置 高 速 存 储 器、128K 字 节 的 闪 存、20K 字 节 的SRAM、丰富的增强 I/O 端口和外设,2 个 12 位的 ADC、3 个通用 16 位定时器、1 个 PWM 定时器,还包含先进的通信接口:2 个 I2C 和 SPI、3 个 USART、1 个 USB 和 1 个CAN.
  
  2.2.2  以太网接口模块
  
  以太网接口采用了 ENC28J60 芯片,ENC28J60 是带SPI 接口的独立以太网控制器,它集成了 MAC 和 10BASE-TPHY、接收器和冲突抑制电路,支持全双工和半双工模式,最高速度可达 10Mb/s 的 SPI 接口,内置 8 KB 发送 / 接收数据包双端口 SRAM,可配置发送 / 接收缓冲器大小、用于快速数据传送的内部 DMA、硬件支持 IP 校验和计算等[3].
  
  ENC28J60 与 STM32 通过 SPI 接口连接,引脚连接图如图 4 所示。
  
  ENC28J60 与 STM32 的引脚连接图
  
  3   系统软件设计
  
  3.1   Zig Bee 无线网络软件设计
  
  Zig Bee 网络在 OSI 参考模型的基础上,结合无线网络的特点,采用分层的思想实现,各层从上到下分别是应用层、网络层、介质访问控制层、物理层[4].Zig Bee 网络的组建主要由 Zig Bee 协议栈的网络层来实现,Zig Bee 网络层为新加入的节点分配地址、提供路由发现和路由维护等。协调器是 Zig Bee 无线网络中的第一个节点,也是主节点,负责无线网络的建立及参数配置[5].协调器通电后首先进行初始化,包括 CC2530 芯片初始化、协议栈初始化、串口初始化和硬件初始化等,然后调用 osal_start_system() 函数进入操作系统,调用 ZDO_Start Device() 函数启动设备,建立网络,并允许其它终端节点加入构成星型网络,终端节点加入网络后为其分配地址,然后接收终端节点发来的传感器数据,并转发服务器的命令。协调器程序流程图如图 5 所示。
  
  终端节点上电完成初始化工作后,查找是否有可加入的 Zig Bee 无线网络,如果有 Zig Bee 无线网络就自动加入,然后采集传感器数据,发送数据到协调器,当接收到协调器发送的控制命令后,执行控制操作。终端节点程序流程图如图 6 所示。
  
  3.2   嵌入式 WEB 服务器软件设计
  
  Web 服务器是在嵌入式 TCP/IP 协议栈的基础上实现的一种应用程序。软件设计分为 3 部分:以太网接口芯片驱动程序的实现,嵌入式 TCP/IP 协议栈的实现,嵌入式 TCP/IP 协议栈对用户数据进行收发处理。
  
  实现 ENC28J60 芯片驱动程序主要是编写驱动文件,函数模块包括读控制寄存器、向以太网控制器写入命令、读取 buff 的数据、向 buff 写入数据、读取控制寄存器的内容、写入数据到控制寄存器、向 PHY 写入控制参数、初始化以太网控制器、发送数据包函数、接收数据包函数。
  
  实现 TCP/IP 协议栈是在微控制器上移植 Lw IP 协议栈。Lw IP 是一个小型开源的 TCP/IP 协议栈,它体积小,占用内存小,适合在嵌入式系统中使用[6].移植要点是:复制 opt.h 文件到新建的 lwipopt.h 文件,并按照处理器资源与实际需求进行修改;编写网络处理文件 netconfig.c 与对应的头文件 netconfig.h,主要是初始化 lwip 协议栈、系统时钟中断处理等;修改 ethernetif.c 文件的相关函数:网卡初始化函数(low_level_init)、发送数据函数(low_level_output)、接收数据函数(low_level_input)、数据输入处理函数(ethernetif_input)。
  
  嵌入式 TCP/IP 协议栈对用户数据进行收发处理流程是:当用户在浏览器中输入 IP 地址来访问 WEB 服务器,Lw IP 协议栈首先对请求信息进行解封装处理后传送到HTTP 任务模块,HTTP 任务中的 CGI 程序对数据进行处理后选择对应的网页数组文件应答,网页数组中的内容是采用 HTML 语言编写的网页文件,最后通过 TCP/IP 协议将网页文件发送到浏览器[7].嵌入式 WEB 服务器的工作原理如图 7 所示。
  
  嵌入式WEB服务器的工作原理
  
  4  结语
  
  本文设计了基于 Zig Bee 技术的智能家居系统,系统采用 Zig Bee 技术组建无线网络、采集环境数据并远程无线传送,通过串口与嵌入式 WEB 服务器通信,用户通过任何 1台联网的电脑和手机采用 WEB 浏览的方式就能访问终端环境数据,并能及时准确的发送控制命令,这种方式灵活、方便、成本低,具有广阔的应用空间。
  
  参考文献:
  
  [1]高天宇 , 李焕良 , 邵立福 , 等 . 基于单片机与 Zig Bee 的轮式装载机载荷数据采集系统 [J]. 仪表技术与传感器 ,2016,10:69-72.
  [2]郭国法 , 许萌 , 张开生 . 基于 Zig Bee 无线传感器网络的智能节水灌溉系统设计 [J]. 江苏农业科学 ,2015,11:513-518.
  [3]管 立 伟 , 卢 宇 , 吴 进 营 , 等 .  基 于 STM32 的 嵌 入 式 网 络通 信 终 端 设 计 与 实 现 [J].  陕 西 理 工 学 院 学 报 ( 自 然 科 学版 ),2016,04:23-28+38.
  [4]赵荣阳 , 王斌 , 姜重然 . 基于 Zig Bee 的智能农业灌溉系统研究[J]. 农机化研究 ,2016,06:244-248.
  [5]胡培金 , 江挺 , 赵燕东 . 基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统 [J]. 农业工程学报 ,2011,04:230-234.
  [6]应时彦 , 朱献康 , 朱华 , 等 . 基于嵌入式 Web 服务器的停车场管理系统 [J]. 浙江工业大学学报 ,2016,04:383-387.
  [7]于翰林 , 卢泽民 , 朱咏莉 . 基于嵌入式 Web 服务器的 p H 值检测系统的设计 [J]. 江苏农业科学 ,2015,01:390-393.
    何勉, 许军. 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J]. 仪器仪表用户, 2017, 34(1).
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