一種基于ZigBee的智能家居環境信號采集與控制系統設計

作者/ 戚仕鵬¹ 謝屈波¹ 何山² 1.華中科技大學 計算機科學與技術學院(湖北 武漢 430074) 2. 華中科技大學 經濟學院(湖北 武漢 430074)

摘要：本設計基于德州儀器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee協議與無線局域網混合的方式，實現感知家居的環境參數采集和遠程家電控制功能。系統設計簡單、性價比高、功耗低、穩定可靠，具有較強的實用性和廣闊的市場前景。

引言

　　伴隨著移動互聯網的發展，各類民用級電子產品開始能夠連接云端，帶有APP的智能硬件如雨后春筍般涌現到消費電子市場，其中不乏適用于家用環境的智能家居類設備。智能家居作為一項提出多年的概念，由于缺乏統一的行業標準，各大品牌的設備相互不能兼容，所以一直沒有得到騰飛式的發展。谷歌收購NEST溫控設備，蘋果公司發布HomeKit，微軟發布WinXiot版本，預示著國外IT巨頭看好智能家居市場并積極布局。

　　作為隱藏在智能家居背后的通訊協議，除了普通居民耳熟能詳的Wi-Fi(家用局域網)外，低功耗的短距離傳輸協議(如ZigBee、藍牙和Zware等)也已發展成熟穩定，物聯網使得設備間也能相互通信。不同品牌設備之間的開放與互聯互通，將原有的信息孤島相互聯系起來將成為未來的大趨勢。2016年3月8日，海爾向開發者開放了U+平臺，美的集團也向第三方開放了M-Smart的SDK(軟件開發工具包);3月31日，微軟也發布了MS Bot Framework機器人框架，巨頭們的紛紛表率預示著更多的廠商將會開放自身的軟硬件平臺，使得家電設備，以及越來越多的智能硬件單品可以整合到一起。

　　舊版本的智能家居系統大多采用總線控制，裝修布線的成本非常高，并且嚴重降低用戶體驗。新一代智能家居產品以小米和華為的最新產品為例，均采用Wi-Fi與ZigBee協議。本文介紹了一種兼容性強、性價比高的環境信息采集和家電控制系統。

1 系統概述

　　要實現一套性價比較高的智能家居系統，所需的功能由用戶的核心需求來決定。根據馬斯洛需求層級，生理和安全方面的需求應當放在首要實現的位置，實現的功能必須包含安全防盜、火警、有害氣體檢測和危險情況及時報警;其次是生活的便利化，包括對家庭環境的隨時隨地查看，家電的遠程控制等;最后是需求的個性化，例如SOHU辦公、孕嬰或行動不便、視力障礙或聽覺障礙等情況，是用戶分散的長尾需求指標。用戶用例如圖1所示，通過PC電腦瀏覽器或移動APP均可實現，本文重點實現移動端。

　　根據用戶的需求，考慮實際的居家場景和使用習慣，本文介紹一種可行的解決方案。首先，環境參數采集需要使用傳感器，包括溫濕度、被動人體紅外、光照強度、煙霧及瓦斯探測;若增加成本，可以加入攝像頭和PM2.5檢測傳感器;其次，為了降低裝修布線成本，采用無線方式，即無需布線。通訊協議優先考慮WLAN+ZigBee混合的方式是由于WLAN的普及程度高，ZigBee協議的功耗低(可以使用電池工作)，且覆蓋半徑(有墻干擾約20m)比藍牙高。最后，為了實現遠程查詢控制，云端服務器和移動端APP將是最便利的途徑。整套系統的抽象架構框架如圖2所示。

　　綜合考慮系統實現的性價比來進行硬件芯片的選型。關于網絡攝像頭和智能家電，其具體的連接參數和控制接口都在各自設備的官網指定，例如海爾的U+和美的的M-smart。為了降低裝修成本，采用低功耗的無線通訊協議，并將設備直接黏貼在墻上，用電池工作是最快捷、最經濟的方案，也是目前絕大多數廠商的選擇。再綜合考慮兼容性問題，例如小米和華為的智能家居設備已經采用了ZigBee協議，通過Z-stack協議棧即可相互通信，所以我們選擇德州儀器提供的CC2530解決方案，穩定性強且價格較低。其中，每個房間都可以安裝一個設備來采集信息(由用戶決定)，從設備節點作為路由節點(Router)實現快速組網和通訊。主節點的CC2530芯片工作狀態為協調器(Coordinator)，負責整個ZigBee網絡的協調和組織，然后通過ESP8266芯片將ZigBee的信號轉換成TCP/IP協議的WLAN數據。這樣，只要家中有無線路由器，即可聯通所有設備，從而兼容更多其他設備。關于主控設備，可以在云端服務器，可以是PC機，也可以是更低功耗的嵌入式設備，例如小米和360的路由器;如果追求功能簡單穩定，甚至可以是單片機設備。

　　如圖3所示，整套系統分為傳感器采集與傳輸、初始化配置、家電控制、安防報警和云端移動端服務五大核心模塊，包含并具體實現圖1中的用例需求。

2 軟硬件實現

　　關于傳感器的選型，如表1所示為高性價比實現智能家居核心所需的部分配件，可以選擇的傳感器有超過二十種，均可通過網購獲得。

　　硬件設備選型：德州儀器CC2530開發板是由若干(從節點)自制傳感器集成的裝置，如圖4所示。CC2530+ESP8266開發板(主節點)、pcDuino開發板(主控設備)、無線路由器一枚(可選)和移動設備(iOS和Android)。

　　圖4中通過單刀雙擲開關，整合miniUSB電源和7號干電池供電，當設備掉電時，可以馬上接通電池，保障穩定運行;通過GPIO接口將傳感器數據采集到第一轉接單元(如圖5);將數據預處理后，通過第二轉接單元(如圖6)發送到CC2530芯片(如圖7)，通過ZigBee協議將數據發送到主節點。