基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

© 2014年。出版社：Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 8（2014）75 - 812014年AASRI体育工程和计算机科学会议（SECS 2014）基于zigBee无线传感器网络刘振亚南昌师范学院，江西南昌330029摘要本文设计了基于ZigBee技术和GSM / GPRS网络的智能家居系统，该智能家居系统的硬件电路，采用CC 2430ZigBee无线传感器网络，实时采集温度、湿度、三表、红外、烟雾、煤气、火灾、防盗报警、家电等家居环境参数，通过多个监控设备的无线组网，将家居环境中的家用电器远程控制与图像远程监控系统相结合，形成一种新型的智能家居系统，为家居环境的智能化提供了一种可行的方法。© 2014由Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责同行评议关键词：ZigBee，智能家居，无线传感器;1. 介绍智能家居正朝着无线遥控、多媒体控制、高速数据传输的方向发展，其关键技术为家庭网络的兼容性和满足家庭控制器的信息传递需求。目前，传输网采用的是综合布线技术，限制了系统的应用，存在较高的成本。以无线方式构建灵活方便的智能家居安防监控系统成为当前研究的热点。2212-6716 © 2014由Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.08.01376刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）752. 设计方案2.1. 基于ZigBee的智能家居系统编程模型基于ZigBee技术的智能家居系统设计采用ZigBee星型配置。ZigBee协调器（包括功能齐全的ZigBee设备）是整个通信计划的核心。以多个ZigBee终端设备作为周围节点。形成一个星形网络。结合遥控器，*该方案可能由几个部分组成：ZigBee协调器、ZigBee终端设备（被控对象，如：煤气表、水表、烟表、温度表、煤气表、消防表、防盗报警器等电器）、互联网、远程计算机。ZigBee协调器负责整个系统核心之间的ZigBee端与外部网络通信。ZigBee终端设备负责数据的采集和各种数据的传输。根据程序的组成，程序可以分为两个模块：第一个ZigBee家庭协调器模块;第二个ZigBee终端模块。前者又分为核心控制模块，协调服务器端无线收发模块、网络接收模块和GPRS模块;后者又分为终端收发模块和数据采集控制模块。图1中的模型。智能家居ZigBee协调器模块ARM微处理器核心。通信协调器端无线收发模块和终端模块。GPRS移动通信通过Internet与远程计算机进行通信。各模块的功能及相互之间的通信。通过手机或互联网上的远程计算机进行远程监控。刘振亚电子邮件地址：liuzhenya@126.com刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）7577图1.基于ZigBee的智能家居系统方案模型2.2. ZigBee协调器结构模型ZigBee协调器开发平台是基于ARM920T内核的S3C2410X微处理器。 整个通讯计划的核心。无线收发模块的协调器与CC2430。短距离的一对多通信。CC2430巩固了ZigBee协议栈的底层（PHY层和MAC层）。只需配合简单的外围器件就可以构成一个协调器的收发模块。GPRS用于实现数据的远距离传输。这是可选的GPRS微处理器MC35i及外围电路。采用微处理器与以太网协调控制芯片（CS8900A）配合辅助电路一起实现网络接口功能，实现ZigBee协调器客户端与ZigBee终端S3C2410X微处理器之间的GPRS通信和手机通信，实现Internet与远程计算机之间的通信。以S3C2410X微处理器为核心的协调结构模型如图2所示。78刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）75图2. ZirBee配位结构模型其中电源电路的结构模型、系统时钟电路、系统复位电路、Flash / SDRAM存储器接口电路是S3C2410 X微处理器运行的基本电路。JTAG接口、以太网接口、串口和无线收发模块（由CC2430及其外围电路构成）。是接口电路的协调功能。JTAG标准主要用于芯片内部测试和系统仿真、调试。标准JTAG接口有四条线。两者之间的联系很简单。MAX232和RS232串口功能。用于协调和GPRS设备之间的数据传输. GPRS利用市场上现有的产品，对应用程序自带的一些小修改，让GPRS自动发送和接收数据。无线收发模块主要用于ZigBee星型网络的建立和初始化，以及多个ZigBee终端设备之间数据的发送和接收。了系统硬件设计2.3. 串口摄像头该摄像机的串口采用了优化的串口通信协议，支持分传输，使主机可以配置到更小的缓存，同时提供RS232两种平静电平的TTL输出。主机之间通过串口通信传输指令和数据，主机可以设置状态参数波特率、图像分辨率、发送方式等。2.4. SMS模块设计短信模块内置短信协议，集短信、彩信于一体的GSM / GPRS模块。它采用AT命令模块控制，控制命令和数据通过RS232接口传输。其内部集成了600 KB的Flash存储空间，可供多人上传图片发送彩信。ZigBee收发器设备2 3该系统采用CC2430芯片的ZigBee无线通信模块，CC2430集成了ZigBee射频（RF）前端、存储器和微控制器，CC2430集成符合IEEE802 15 4标准。4GHz射频收发器支持数字RSSI / The LQ I、CSMA /CA和强大的DMA功能、电池监控和温度感应功能，同时拥有强大而灵活的开发工具.基本电路如图3所示。电容C1、C2连接32 MHz晶振电路如图3所示，此石英晶振在正常工作时使用。电容C3、C4，连接32.768 kHz晶振电路，休眠工作时采用此石英晶体，从而降低功耗。C5是刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）7579用于去除杂波，防止单片机复位错误。C6 ~ C8用作滤波器，去除杂波，使电压更加稳定。电路采用非平衡Transformer电容和电感L1、L2、L3、C9以及PCB微波传输线，整个结构满足射频输入）、C10、C11、C12、C13、C14等输入/输出匹配电阻（50个去耦电容用于电源滤波，提高了芯片工作的稳定性。其中R1、R2为偏置电阻，R1为32 MHz晶振设置精密偏置电流。CC2430芯片具有低功耗的特点，选用两节800 mAh电池为节点机供电。外部天线的天线选择。图3. CC2430基本电路CC 2430与温湿度传感器SHT 11、光线传感器PGM 5506、红外传感器BS 520的连接示意图如图4所示，其中P0.0、P0.1、P0.6、P1.2和P1.3为CC 2430的I / O端口。SHT11采用两线制串行线与处理器进行数据通信，并同步SCK数据线与处理器通信，而SHT11的DATA三态门用于读取数据，为避免信号冲突，微处理器应将DATA驱动为低电平，需要一个外部上拉电阻将信号拉高，图4中CC2430的引脚P1.2用于SCK，P1.3用于DATA。光传感器PGM5506实际上是一个光敏电阻，随着周围环境中的光量而改变电阻值，因此输入电压3V受光敏电阻的影响随光量而变化，从而输出电压也随之变化。感知光量可以改变电压量，在此确定输出电压LIGHT OUT的值。图4，CC2430引脚P0.0连接LIGHT OUT。红外传感器BS 520，输出的红外线强度随着A / D的变化而变化，处理器CC 2430根据输入的电流变化来确定红外线值。图4 CC 243 o引脚P0.1连接INFRARED- ADC80刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）75图4.三个传感器连接示意图3. 异常状态检测该系统可以通过图像的方式对外来者入侵、火灾等室内异常情况进行自动判断。它的智能性主要体现在：系统软件对环境的状态进行自学习，使其能够适应环境背景的变化，临界状态下，能够自动启动状态跟踪和监控，以准确判断多幅图像的结果。基于运动阈值结合分析的背景减除和帧间差分法。目标检测过程包括：图像预处理、量化函数、运动检测（或小目标运动跟踪与检测）、异常情况的判别与处理。当系统接收到新的图像时，首先对摄像头发送的图像进行预处理和去噪，得到一幅能够量化运动物体或异常区域的二值图像，然后进行异常状态的分析和判断。系统采用两种异常量化功能：基于全局位图句柄和随机测试、处理，然后根据异常量化函数指针进行具体的后续操作，对于要进入报警的异常句柄，则发送报警信号，发送彩信，并存储当前视频，对于要进入临界异常跟踪，启动临界异常跟踪程序，否则后台替换判断并等待下一个监控画面。传输距离在80 m以内无障碍，传输数据丢包率小于1%，足以满足正常家庭环境的通信需求，且接收功率很低，非常适合家庭使用ZigBee模块进行通信，传输距离为30 m时丢包率为0%，通过两堵堵水墙的损失仅为通过一堵水墙的1%，完全能够满足系统设计的要求。4. 结论性本文设计了基于ZigBee技术和GSM / GPRS网络的智能家居系统，对系统功能、硬件进行了设计，分析了ZigBee技术在系统中的应用。ZigBee技术将应用于智能家居，实现一种速率快、成本低、功耗低的无线网络通信。给出了这样一个智能家居系统的硬件电路，采用CC2430 ZigBee无线传感器网络，实时采集家居环境中的温度、湿度、红外三表，刘振亚/ AASRI Procedia 8（2014）7581烟雾、煤气、火灾、防盗报警、家电等参数在家居环境中的应用，通过结合传统的传感报警系统和图像监控系统，形成一种新型的智能家居系统。用户可以通过手机或PC接收彩信，根据需要进行远程电话设置，从而实现灵活、方便的家居安全监控。实现多台监控设备的无线组网，实现对家电的远程控制，为智能家居环境的远程监控提供了一种实用的方法。引用[1] 杰森·莱斯特无线传感器网络的系统架构[J].加州大学伯克利分校，2003年。[2] 德州仪器。CC243O [EB/（）L].[2010 -09-063. Http：//www. ti. com/cc2430.[3] ZigBee联盟ZigBee规范[EB/OL]。[2006-1l-o43. HTTP//：ZigBee。org.[4] 放大图片作者：YE W，Heidemann J.一种能量有效的无线传感器网络MAC协议[M].是. I：IEEEINFOCOM，，2002.[5] L. Li，G，Qin，H.联合尼奥基于CC 2430的无线传感器节点及其在振动信号测量中的应用[c]第七届国际测试与测量研讨会论文集，2007：4097 ~ 4100[6] 杰森·莱斯特无线传感器网络的系统架构[J]. 加州大学伯克利分校，2003年。[7] 刘振亚基于单片机的智能住宅安全报警及远程控制系统。IEEE工业电子学与应用，ISBN：978-1-42），2008年6月。[8] 刘振亚A，具有恒定Transformer的高效率直流电源电压，第四届IEEE工业电子会议及其应用，2009年5月27-29日。ISBN：978-14244- 2800-7[9] 刘振亚.一种基于单片机的高精度交流稳压电源稳压器的设计.第五届IEEE工业电子与应用会议2010年6月15- 17日，ISBN：978-1-4244-5046-6[10] 刘振亚太阳能跟踪系统和电池充放电控制系统，第二届未来计算机与通信国际会议，2010年9月28 ~ 29日，ISBN：978-1- 4244-8470-6