基于ZigBee的智能家居系统设计

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。基于智能家居的最新定义，参考ZigBee技术的特点，设计出的本系统，在包含了智能家居必备系统(智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统)的基础上，加入了家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统和家庭环境控制系统。在智能家居的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居。因此，本系统可以称为是智能家居。

1 系统设计方案
    该系统设计由家庭内被控制设备和远程控制设备组成。其中家庭内被控制设备主要有能访问Internet的计算机、控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器。远程控制设备主要由远程计算机和手机组成。系统组成如图1所示。

    系统的主要功能有：1)网页前台页面的浏览，后台信息管理；2)通过Internet和手机两种远程控制方式实现室内家用电器、安防和灯光的开关控制；3)通过RFID模块实现用户识别，从而完成室内安防状态的开关，在盗贼入侵时通过短信息(SMS)向用户报警；4)通过中央控制管理系统软件完成室内灯光及家电的本地控制和状态显示；5)利用数据库完成个人信息存储和室内设备状态存储，通过中央控制管理系统方便用户查询室内设备状态。

2 系统硬件设计
    系统硬件设计包括控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器(这里以电风扇控制器为例)的设计。
2．1 控制中心
    控制中心主要功能有：1)组建无线ZigBee网络，把所有监控节点加入网络中，并实现新设备的接收；2)用户身份识别，用户在离家或归来时通过用户卡实现室内安防的开关；3)当有盗贼入侵室内时，通过向用户发送短信息报警。用户也可通过短信息控制室内安防、灯光及家电；4)系统单机运行时，液晶显示当前系统状态，方便用户查看；5)存储电器设备状态并发送至PC机，以实现系统联机。根据控制中心的功能设计出它的组成框图如图2所示。

 选用TI公司的CC2430单片机作为ZigBee模块的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l内核的单片机。也是一款符合IEEE802．15．4规范的2．4 GHz的射频器件，硬件支持载波监听多路访问／冲突检测(CSMA／CA)，2．0～3．6 V的工作电压有利于实现系统低功耗。通过连接在控制中心的ZigBee协调器模块，在室内建立无线星形ZigBee网络．并将所有监控节点、选择添加的家用电器控制器作为该网络中的终端节
点加入网络中，从而实现室内安防及家电的无线ZigBee网络控制。
    控制中心MCU采用8位单片机ATMegal28，该器件是一款高性能、低功耗的RISC结构的单片机，大多数指令可在1个时钟周期内完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系统内可编程Flash，4 K字节的EEPROM和2个串行接口。它与GSM模块、RFID模块、液晶模块、ZigBee协调器和PC机相连，是整套硬件系统的核心，完成对中央控制管理系统的响应和对各模块的驱动。GSM模块采用TC35i模块。它通过串行UART接口直接与控制中心MCU相连。RFID模块采用ZLG500模块，其内部集成了MFRC500型ISO14443A读卡器，能够读写RC500内的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用标准SPI接口规范，故只能与单片机的通用I／O接口相连才能实现通信。液晶模块选用1602液晶，采用4线接口与控制中心MCU的通用I／O接口相连。ZigBee协调器与控制中心MCU采用2线接口即可实现两者间的数据双向传输。控制中心MCU与计算机RS232串口相连，传输数据稳定、可靠，实时性好。
2．2 监控节点
    监控节点的功能有：1)人体信号的检测，当盗贼入侵时进行声光报警；2)灯光的控制，其控制方式分为自动控制和手动控制，自动控制是根据室内光线的强弱自动打开／关闭灯光，手动控制是通过中央控制管理系统实现灯光控制：3)将报警信息及其他信息发送至控制中心，并接收来自控制中心的控制指令以完成设备控制。从监控节点的功能出发，监控节点组成如图3所示。

    红外加微波的探测模式是目前在人体信号检测时最常用的方式。热释电红外探头这里选用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V电压供电，内置热释电双敏感红外元件，当元件接收红外光时在每个元件两极发生光电效应而积累电荷。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它与RE200B及少量元件就可构成被动式热释电红外开关。微波传感器选用ANT-G100模块，中心频率是10 GHz，建立时间最大值是6μs。与热释电红外模块复合使用，可有效降低目标探测错误率。
    灯光控制模块主要由光敏电阻和灯光控制继电器组成。将光敏电阻与10 kΩ的可调电阻串联，再将光敏电阻另一端接地，可调电阻另一端接高电平。通过单片机的模数转换器获取两个电阻连接点的电压值，从而判定当前灯光是否打开。可调电阻可供用户调节，以满足用户设置灯光刚刚打开时的光线强度。室内灯光的开关通过继电器控制。只需一个输入输出口即可实现。
2．3 选择添加的家用电器控制器
    选择添加的家用电器的控制主要根据设备功能实现设备控制，这里以电风扇为例。电风扇控制就是控制中心将上位机下达的电风扇控制指令通过ZigBee网络发送至电风扇控制器实现，不同的家电识别码是不同的，例如，本协议规定电风扇的识别码是122，家用彩电的识别码是123，这样就实现控制中心对不同家电的识别。而对于相同的指令代码，不同家电执行的功能是不一样的。图4为选择添加的家用电器组成。