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1、ZigBee技术支持下智能家居系统构建论文ZigBee技术支持下智能家居系统构建论文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，它在保持了传统寓居功能的基础上，提供了全方位的信息交换功能，优化了人们的生活方式和寓居环境。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愈加灵敏、成本更低，其逐步成为智能家居的主流趋势。ZigBee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
2、泛。本系统设计的智能家居系统是通过ZigBee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阅读器，就可到达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ZigBee无线网络和嵌入式WEB服务器，系统构造图如图1所示。ZigBee无线网络遵循TI公司的ZigBee2007协议栈Z-Stack,采用星型拓扑构造，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
3、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ZigBee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2.1ZigBee无线网络硬件设计ZigBee模块采用TI公司的CC2530单片机。CC2530单片机集成了8051加强型内核微控制器、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
4、、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.硬件构造图如图2所示。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CC
5、2530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，进而判定家中能否有人。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ZigBee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，
6、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。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加强型单片机STM32F103VET6,具有高性能、低功耗的优势，其工作频率可到达72MHz,具有内置高速存储器、128K字节的闪存、20K字节的SRAM、丰富的加强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
7、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形式，最高速度可达10Mb/s的SPI接口，内置8KB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。3系统软件设计3.1ZigBee无线网络软件设计ZigBee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.ZigBee网络的组建主要由ZigBee协议栈的网络层来实
8、现，ZigBee网络层为新参加的节点分配地址、提供路由发现和路由维护等。协调器是ZigBee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_StartDevice函数启动设备，建立网络，并允许其它终端节点参加构成星型网络，终端节点参加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，查找能否有可参加的ZigBee无线网络，假如有
9、ZigBee无线网络就自动参加，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
10、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LwIP协议栈。LwIP是一个小型开源的TCP/IP协议栈，它体积小，占用内存小，合适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，并根据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
11、ethernetif_input。嵌入式TCP/IP协议栈对用户数据进行收发处理流程是：当用户在阅读器中输入IP地址来访问WEB服务器，LwIP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阅读器7.嵌入式WEB服务器的工作原理如图7所示。4结语本文设计了基于ZigBee技术的智能家居系统，系统采用ZigBee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
12、阅读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，这种方式灵敏、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ZigBee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ZigBee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ZigBee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pH值检测系统的设计J.江苏农业科学,2015,01:390-393.