基于Zigbee的智能家居电子开关控制系统

基于 Zigbee的智能家居电子开关控制系统

阳振敏

深圳和而泰智能控制股份有限公司 广东 深圳 518063

摘要：本文基于嵌入式ARM处理器和ZigBee技术设计了一种智能家庭电子开关，该电子开关可实现ZigBee和Wi-Fi两种协议之间的相互转换，通过采集室内环境中的烟雾、可燃性气体及温湿度各传感器节点信息，将得到的数据通过家庭电子开关发送给接收终端，用户就可以在智能终端通过App软件远程实现对环境参数或电气设备的监测、控制等操作。测试结果表明，该系统可实现对现场实时有效地监控，性能稳定，易扩展，且成本低廉，对智能家居行业的发展具有一定的实际应用价值。

关键词：家庭电子开关；ARM；ZigBee；物联网；电子开关系统

随着科技的发展，人们对生活质量的追求也越来越高，安全、舒适和便捷的智能家居环境正逐步被大众所青睐。目前传统的家居电子开关系统通常存在嵌入式电子开关安装和使用繁琐、内部各个控制子系统相互独立，很难形成一个有效联动的整体，且组网布线较复杂等问题。针对以上不足，设计了一款智能家庭电子开关，采用ZigBee技术进行无线组网，拓展了各子系统的功能，增强了相互之间联动，安装方便，同时开发出了网站和手机App，极大地方便了用户对系统的使用和管理。

1系统框架及工作原理

本系统的组成部分包含了家庭智能电子开关部分、Wi-Fi模块、ZigBee模块和各传感器模块。家庭电子开关模块是整个系统的核心控制单元，与ZigBee组网的各子模块负责采集环境信息，ZigBee协调器负责将采集来的数据进行分析、处理，向上与家庭电子开关交互，家庭电子开关再通过Wi-Fi或GPRS模块与用户端交互；向下给各子模块传输指令以控制底层设备。从而实现用户对家居环境及家电等进行实时有效地监测与控制。

2系统硬件平台设计

2.1家庭电子开关模块设计

在智能家居系统中，电子开关起着至关重要的作用，本系统采用的主控制器是由三星公司生产的基于ARM1176JZF-S内核的S3C6410处理器，其主频可达667MHz可满足系统对实时性的要求，内部资源丰富，易扩展。S3C6410功耗低、性能高，且价格低廉，符合本系统对功能部分的要求。为了组成家庭智能电子开关，还必须添加电源模块，GPRS模块以及Wi-Fi模块等外围电路。

2.2 ZigBee模块设计

ZigBee模块主要由射频RF(Radio-Fre[3q]uency)、无线RF收发器和底层控制模块三部分组成。本系统选用德州仪器生产的C2530作为收发模块的主控芯片。CC2530就是为了ZigBee应用而设计的，是一款真正意义上的SOC解决方案，其优点在于组网功能强大、功耗低且成本低，尤其是底层控制板，由于其通用性好，ZigBee模块子节点主要由环境数据采集、家电控制模块和电子开关报警模块三部分组成。子节点初始化之后，首先会向协调器发出入网申请，协调器通过后会给其分配一个唯一的网络地址，以方便它们之间的信息交互。接着通过相应的传感器来采集室内的温湿度、光照强度以及空气质量等环境参数，并将数据传送给协调器处理。若某一参数超过了预设的阈值，用户端可发出控制命令使其回到合理值。家电控制模块首先采集与其连接的家电的当前运行状态，通过协调器和智能电子开关的控制命令实现对家电的控制。电子开关某一参数触发了阈值，协调器就会接收到该节点信息并自动启动装置。

2.3火灾探测模块设计

对于火灾探测，系统采用烟雾和温度双重报警设计，一旦监测区域的烟雾浓度或环境温度超过阈值，协调器就会监测到异常信息，然后通过GPRS模块向用户端发送火灾预警。采用这种双重预警机制，大大降低了误报率，也进一步提高了系统的可靠性。本系统温度传感器选用了DALLS公司生产的DS18B20，S3C6410通过读写其I/O引脚的电平高低来完成两者之间的通信。系统采用离子式烟雾传感器NIS-02C来探测烟雾、煤气或CO2等浓度，该传感器具有灵敏度高、功耗低和易安装维护等优点。

2.4视频监控模块设计

视频监控模块采用海康威视C6CN摄像头。其内部集成了CMOS传感器接口、图形压缩单元、图形信号处理单元，支持1080P高清拍摄、夜视Windows、Linux等多种操作系统。

3系统软件设计

系统的软件设计部分主要包括下位机和上位机的软件设计。下位机软件开发包含嵌入式操作系统的裁剪、移植和相应驱动程序的设计等；上位机软件开发包含系统的电子开关控制器、ZigBee模块、各传感器模块、嵌入式WEB服务器以及上位机的网站和手机App等应用程序设计。

3.1电子开关主控制器的软件设计

首先对电子开关进行初始化，完成后轮询是否接收到来自终端的命令，若有接收到指令则进行分析，然后传送给ZigBee协调器，协调器向底层设备发送查询指令，并将其运行状态反馈给终端。

3.2 ZigBee模块程序设计

ZigBee模块的软件设计部分主要由协调器和子节点两大部分组成。协调器是整个ZigBee无线网络的核心，用来创建无线局域网，负责传递节点信息。组建一个完整的ZigBee网络包括网络初始化和节点加入网络两个步骤。网络初始化之后，首先会扫描是否有新节点申请入网，如果节点已经是全功能设备（FFD）节点，说明其已经具备ZigBee协调器的能力；否则会给新申请入网的节点分配一个网络地址，并且把节点信息添加到地址列表。协调器收集到各节点发送的信息后，会按照双方约定的数据格式传送给电子开关；电子开关同样也能接收到用户端指令，传送给协调器，协调器接收、分析后再将命令转发至相应的各个节点。

3.3手机App设计

手机App是基于安卓平台开发的，包含系统内建的手机App设计几种模式切换，查询节点详细信息，预设报警短信内容，以及控制家电功能等内容。其中，系统模式分为正常/睡眠和在家/离家等几种状态。系统会根据白天/夜晚模式，决定开关窗帘，以自动切换光照强度；会根据在家/离家模式，决定是否打开所有电子开关报警节点；同样也会根据用户端发过来的指令直接控制家电等操作。

3.4嵌入式Web服务器设计

3.4.1 Web服务器的选型

系统选择Boa嵌入式Web服务器，原因是它在处理CGI程序时会最大程度节省系统资源，这一点对嵌入式系统来说非常合适；同时它还能自动创建目录及解

压文件等操作，具有很高的处理速度和效率。

3.4.2 CGI程序的编写

CGI是一种公用电子开关接口，它规定了Web服务器调用其他可执行程序的接口协议标准，CGI程序接收浏览器发送给Web服务器的信息，处理完成后再将响应结果返回给Web服务器和浏览器。本系统共设计了9个CGI程序，其中4个用shell脚本编写，5个用C语言编写。

3.5网页设计

使用Dreamwaver设计了用于远程控制的网站，主要包含登陆页面login.html、主控页面index.html、修改密码页面changePwd.html、登陆出错页面loginError.html等内容。界面设计力求美观且易操控。

4系统测试

系统测试时，需将硬件全部开启，然后打开手机软件连接Wi-Fi模块，并登入智能家居软件。此时可观察到子节点采集到的环境数据。通过手机App或电脑网页下达指令后，系统都能很好地执行；模式切换和电子开关报警也工作正常，且响应速度很快。经超过一周时间的测试，该系统性能稳定，各项参数均符合要求。

5结语

设计了一种基于ARM和ZigBee技术的智能家庭电子开关，无线组网避免了复杂的布线问题，增强了子系统之间的相互联动，架设嵌入式Web服务器，开发了网站与手机App，用户操作起来更加便捷。测试结果表明，该系统可实现对现场实时有效地监控，性能稳定，易扩展，用户体验好，且成本低廉，对智能家居行业的发展具有一定的实用价值。

参考文献

[1]娄德成.基于WSN智能家居控制系统节点的设计[J].现代科学仪器,2016(4):28-32.

[2]刘凯.智能家庭电子开关的嵌入式软件设计与实现[D].北京:华北电力大学,2015.

[3]周柳慧.物联网智能电子开关的开发及应用[D].杭州:浙江大学,2018.