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基于ZigBee技术的智能家居系统研发

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刘雅琴任舒婷迟方辰孙堂正

摘要：文中提出基于ZigBee网络传输技术的智能家居系统的方案设计，利用ZigBee无线通信技术实现主控的易操作、低功耗以及系统稳定的目标。ZigBee终端节点设备通过使用多种类型的传感器模块单元，再运用Z-Stack协议完成组网，实现了智能语音识别、灯光控制、瓦斯浓度监测以及GMS短信警报功能。最终，对ZigBee的通信距离及稳定性进行测试，实现了预期设计目标。

关键词：ZigBee技术;无线网络;智能家居;Z-Stack协议;语音识别;安防系统

中图分类号：TP309文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-0-03

0引言

随着科技日新月异，人们对住宅的要求也越来越高。一套温暖舒适、稳定可靠且兼具科技感的多功能智能家居系统往往会受到人们的青睐。随着移动互联网和智能手机的普及，智能家居的无线通信网络技术也更吸引人们的注意力。ZigBee技术是一种双向互通无线通信技术，其技术方案介于蓝牙技术和无线标记技术之间，广泛应用于简单、低速、距离短、能耗少、成本低的电气信息设备间的数据交换传递[1]。其在低数据速率无线网络应用方面前景可观。

目前智能家居处于蓬勃发展期，多数的产品满足了人们的大部分需求，但是还存在一些不足，如缺乏统一的标准、价格昂贵、操作复杂。燃气的检测与报警处理是家庭安全防范的重要组成部分，同时随着手机和人机交互的快速发展，人性化的设备越来越受到市场欢迎。分析了现有智能家居控制系统的发展现状，对比调研多种网络通信技术的特点，提出了一种可行的智能家居控制系统方案。该方案设计的网络硬件载体选用的是TI公司生产的CC2530，相应搭配语音识别模块的核心芯片是ICRoute公司生产的LCD3320。GSM警报模块的核心芯片是SIM800A，其通信接口兼容各种单片机，可直接与硬件连接进行调试。此系统实现了智能语音识别、家庭中灯光控制、瓦斯浓度监测以及GMS短信警报功能，省去用户不合理布线带来的影响，也不存在自行安装损坏产品、调试产品耽误时间等缺点。

1系统结构

ZigBee技术有点类似于CDMA和GSM网络，可以进行双向的无线通信，一般使用于距离近、功耗要求低和安全性高的无线网络通信中[2]。星型拓扑结构采用了以ZigBee协调器为中心的网络结构，所有的设备要传输信息都需要通过协调器来进行[3]。此结构容易搭建，且适用于节点数目少、中距离无线传输信息的家居系统。

本设计中智能家居系统结构如图1所示。该系统由三个部分组成：ZigBee无线传感网络、智能终端及协调控制端。系统内部由ZigBee星型网络组成，终端上的语音识别模块和可燃气体传感器的状态信息在ZigBee网络中自由传输。当用户下达语音控制命令时，由语音识别模块识别用户的命令并将信息通过ZigBee网络传送给协调器，而协调器对LED设备进行控制，完成打开灯光、调节灯光亮度等操作。而在家庭无人的情况下，易燃气体监测成为主要的安全问题之一。当终端设备上搭载的传感器检测到可燃气体时，会立刻将信息传送给协调器，从而触发GSM短信报警模块工作，向用户发送短信。

2系统设计与实现

2.1系统硬件设计

2.1.1CC2530片上系统

本设计使用ZigBee技术进行智能家居系统无线传感网络的组网，选用TI公司的CC2530片上系统作为ZigBee模块。CC2530是进行ZigBee组网的理想解决方案，使用CC2530进行组网，成本低廉并且性能优异[3]。CC2530片内集成了RF收发器和增强型的8051内核，芯片内可编程闪存最高可达256KB，增添的3dB/2.4GHz的天线，完全满足绝大数应用的需求。TI公司同时也推出了相应的协议栈Z-Stack。在该协议栈内部植入了一个基于事件驱动的轮询式操作系统OSAL，能很好地响应系统关联的触发时间[4]。

2.1.2MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器属于二氧化锡半导体气敏材料。二氧化锡可与空气中的氧气发生反应，形成氧的负离子吸附，引起导体电导率的变化。基于电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大的特点，即可灵敏地检测可疑气体的浓度。再利用简单的电路设计即可将输出电阻的变化转换为该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对氢气、烷类气体的灵敏度高，对天然气和烟雾的检测也很理想。这种传感器具有稳定性好、响应迅速、驱动电路简单等特点，可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。在设计中，当危险气体环境浓度达到报警值时，TTL開关信号输出低电平至终端节点P0_6端口;平时正常状态时为高电平。

2.1.3短信报警模块SIM800A

SIM800A是一款由SIMCOM公司生产的GPRS通信模块，