第 卷 18 Vol.18 第 7 期 No.7 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2010 年 7 月 Jul. 2010 基于 ZigBee 技术的智能家居系统设计 南忠良， 孙国新 （天津科技大学 电子信息与自动化学院， 天津 300222） 摘要 ： 根据智能家居最新定义 ， 利用网 页和 手 机 两种 远 程 控制 方 式 ， 结合 PC 机 ， 再 将 CC2430 无 线 ZigBee 模 块 、 ATMega128 单 片 机 、射 频 身 份 识 别 （RFID）模 块 和 全 球 数 字 移 动 电 话 系 统 （GSM）模 块 组 成 系 统 控 制 中 心 ，通 过 无 线 ZigBee 网络，Internet 和 GSM 网络完成对室内所有监控节点 、选择添加的家用电器的本地和远程控制 ，从而为用户提 供一种智能、灵活、方便的生活空间 。 该系统设计具有添加新设备灵活 ，远程控制方便和个人信息管理智能等优点 。 实 验结果表明 ：系统在多协议数据传输过程中可靠性高 ，能够实现智能家居的各种控制功能 。 关键词： ZigBee； 智能家居； CC2430； GSM 中图分类号 ： TP368 文章编号：1674－6236（2010）07-0117-03 文献标识码： A Design of smart home system based on ZigBee NAN Zhong-liang， SUN Guo-xin （College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300222， China） Abstract： According to the latest definition of smart home， this paper uses WEB and mobile phone as two kinds of remote control method， combing with PC， and gets CC2430 wireless ZigBee module， ATMega128 microcontroller， radio frequency identification（RFID）module， global system for mobile communications （GSM）module together to form control center of the system， by the wireless ZigBee network， Internet and GSM network to realize the local and remote control of all the monitor node and optional added household appliances， to give the user a smart， flexible and convenient living space. It has the advantages of flexible in adding new electrical equipment，convenient in remote control， and intelligent in personal information management， and so on. The experimental result shows that this system is reliable in multiple protocols data transmission， can realize various control functions in smart home system. Key words: ZigBee; smart home; CC2430; GSM 智 能 家 居 是 以 住 宅 为 平 台 利 用 综 合 布 线 技 术 网 络 通 、 ， 设备主要由远程计算机和手机组成 系统组成如图 所示 。 1 。 安全防范技术 信技术 活有关的设施集成 自动控制技术 音视频技术 将 家 居生 构建高效的住宅设施与家庭日 程 事务 的 、 、 、 ， 管理系统 ， 提升家居安全性 便利性 舒适性 、 、 、 艺术性 并 实现 基于智能家居的 最 新 定义 ， 参 考 环保节能的居住环境 。 技术 的 特 点 [1]， （ （ Bee 系统 庭 安 防 系 统 智能家居 中央 ） 的 基 础 上 ） 设 计 出 的本 系 统 ， 控制管理系统 Zig- 在包 含 了 智 能 家 居 必 备 ， 、 家居照明控制 系 统 家 家 庭 网 络 系 、 加 入 了 家 居 布 线 系 统 ， 、 统 上 、 ， 背景音乐系统和家庭环境控制系统 。 只 有 完 整 地 安 装 了 所 有 的 必 备 系 统 ， 在智能 家 居的 认 定 并 且 至 少 选 装 了 一 种及以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居 因 此 ， 。 本系统可以称为是智能家居 。 1 系统设计方案 该系统设计由家庭内被控制设备和远程 控 制 设备 组 成 其 中 家 庭 内 被 控 制 设 备 主 要 有 能 访 问 Internet 的 计 算 机 、 制中心 、 监控节点和选择添加的家用电器控制器 远 程 控 制 。 。 控 图 1 系统组成 系 统 的 主 要 功 能 有 网 页 前 台 页 面 的 浏 览 后 台 信 息 ， ：1） 管理 [2]；2） 用电器 、 通过 Internet 安防和灯光的开关控制 和手机两种远程控制方 式 实现 室 内 家 模块实现用户 通过 ；3） RFID 收稿日期：2010-01-05 作者简介：南忠良（1965—），男，河北衡水人，博士，教授。 研究方向：光电检测技术及应用 。 稿件编号：201001011 －117－ 

识 别 ， 从 而 完 成 室 内 安 防 状 态 的 开 关 在 盗 贼 入 侵 时 通 过 短 ， 2.2 监控节点 《电子设计工程》2010 年第 7 期 通 过中 央 控 制 管 理 系 统 软 件 完 成 利 用 数 据 库 完 通过中央控制 管 理 系 ；4） （SMS） 向 用 户报 警 信息 室 内 灯 光 及 家 电 的 本 地 控 制 和 状 态 显 示 [3]；5） 成个人信息存储和室内设备状态存储 统方便用户查询室内设备状态 [4]。 2 系统硬件设计 ， 监 控 节 点 的 功 能 有 人 体 信 号 的 检 测 当 盗 贼 入 侵 时 ， ：1） 进 行 声 光 报 警 手动控制 灯 光 的 控 制 ， ；2） 其 控 制 方 式 分 为 自 动 控 制 和 关闭灯 ， 自动控制是根据室内光线的强弱自动打开 / 手动控制是通过中央控制管理系统实现 灯光 控 制 光 报警信息及其他信息发送至控制中心 将 并接收来自控 制 中心 ；3） ， ， 的控制指令以完成设备控制 从监控节点的功能出 发 监控 ， 。 系统硬件设计包括控制中心 、 监控节点和 选 择 添加 的 家 节点组成如图 所示 。 3 用电器控制器 （ 2.1 控制中心 这里以电风扇控制器为例 的设计 ） 。 控制 中 心主 要 功 能 有 组 建 无 线 ZigBee 网 络 ， 把 所 有 ：1） 监 控 节 点 加 入 网 络 中 并 实 现 新 设 备 的 接 收 ， 用 户 身 份 识 ；2） 别 用户在离家或归来时通过用户卡实现室内安防 的 开关 ， 当有盗贼入侵室内时 3） 也 可 通 过 短 信 息 控 制 室 内 安 防 行时 液晶显示当前系统状态 ， ， 通过向用户发送短信息报 警 ； 用 户 。 灯 光 及 家 电 、 方便用户查看 系 统 单 机 运 存 储 电器 设 ；4） ；5） ， 备状态并发送至 机 ， PC 以实现系统联机 。 根据控制中心的功 能设计出它的组成框图如图 所示 。 2 图 2 控制中心组成 选用 TI 公 司 的 CC2430 单 片 机 作 为 ZigBee 模 块 的 控 制 它 是 一 款 高 性 能 ， 器 款符 合 IEEE802.15.4 载波监听多路访问 冲突检测 / 电压有利于实现系统低功耗 。 低 功 耗 的 、 规 范的 8051 2.4 GHz 内 核 的 单 片 机 的 射 频器 件 也 是 一 ， 硬 件支 持 ， （CSMA/CA），2.0~3.6 V 通过连接在控制中心的 的 工作 ZigBee 并 将 所 有 监 协调 器 模 块 ， 在 室 内 建立 无 线 星形 ZigBee 网 络 ， 控节点 点加入网络中 选择添加的家用电器控制器作为该网络中的 终 端节 网络 从而实现室内安防及家电的无线 、 ZigBee ， 控制 。 控制中心 MCU 采用 8 位单片机 ATMega128[5]， 该器件是 一款高性能 低功耗的 、 个时 钟 周 期 内 完 成 1 统内可编程 Flash，4 K 结构的单片机 大多数指令可在 RISC 最 高 工 作 于 字节的 ， 16 MHz， EEPROM 和 2 ， 具 有 128 K 个串行接口 的 系 它 。 与 GSM 模块 、RFID 模 块 、 液 晶 模 块 、ZigBee 协 调 器 和 机 PC 完 成 对 中 央 控 制 管 理 系 统 的 相 连 ， 是 整 套 硬 件 系 统 的 核 心 响应和对各模块的驱动 ， 模块采用 。 GSM 串行 UART 接口直接与控制中心 MCU 模块 TC35i 。 RFID 它通 过 ， 模块采用 读 卡 相连 型 ZLG500 器 能够读写 ， 用标准 SPI 模 块 ， 其 内 部 集 成 了 MFRC500 ISO14443A RC500 接口规范 内的 EEPROM。 由 于 ZLG500 故只能与单片机的通用 ， I/O 并不 是 采 接口相连 。 的通用 才能实现通信 液晶模块选用 1602 液晶 采用 ， 4 线接口与控 制中心 MCU 接口相连 I/O 。ZigBee 协调器与控制中心 采用 线接口即可实现两者间的数据双向传输 2 与 计 算机 RS232 串 口 相 连 ， 传 输 数 据 稳 定 、 MCU 心 MCU 时性好 。 －118－ 控制中 。 可 靠 实 ， 图 3 监控节点组成 红 外 加 微 波 的 探 测 模 式 是 目 前 在 人 体 信 号 检 测 时 最 常 用的方式 [6]。 用 热释电红外探头这里选用 RE200B， 放大器件采 BISS0001。 RE200B 由 3～10 V 电压供电 ， 内置热释电双敏 感红外元件 ， 当元件接收红外光时在每个元件两极发 生光 电 效应而积累电荷 。 BISS0001 是由运算放大器 电压比较器 状 、 、 态控制器 、 延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构 成 的 数 模混合专用集成电路 动式热释电红外开关 。 。 它与 RE200B 及少量元件就可构成被 微波传感器选用 ANT-G100 模块 中 ， 心频率是 10 GHz， 建立时间最大值是 6 μs。 与热释电红外模 块复合使用 ， 可有效降低目标探测错误率 。 灯光控制模块主要由光敏电阻和灯光控制 继 电 器组 成 。 再将光敏电阻另一端 将光敏电阻与 10 kΩ 的可调电阻串联 ， 接地 ， 可调电阻另一端接高电平 。 通过单片机的模数 转 换 器 获 取 两 个 电 阻 连 接 点 的 电 压 值 从 而 判 定 当 前 灯 光 是 否 打 ， 开 。 可调电阻可供用户调节 ， 以满足用户设置灯光刚 刚 打 开 时的光线强度 。 室内灯光的开关通过继电器控制 只需一个 。 输入输出口即可实现 2.3 选择添加的家用电器控制器 。 选 择 添 加 的 家 用 电 器 的 控 制 主 要 根 据 设 备 功 能 实 现 设 备控制 , 这里以电风扇为例 。 电风扇控制就是控制中心将上 位 机下 达 的 电风 扇 控 制指 令 通 过 网 络 发 送 至 电 风 扇 控制器实现 ， ZigBee 不同的家电识别码是不同的 例如 ， ， 本协 议 规 定 电风扇的识别码是 122， 家 用 彩 电的 识 别 码是 这 样 就实 123， 现控制中心对不同家电的识别 家电执行的功能是不一样的 。 。 图 而对于相同的指令代码 不同 ， 为选择添加的家用电器组成 。 4 图 4 选择添加的家用电器组成 3 系统软件设计 系统软件设计主要包括 计 、 中 央 控 制 管 理 系 统 设 计 ， 部分 分别为 远程 控 制 网页 设 ， 6 控 制 中 心 主 控 制 器 ATMega128 监 控 节 点 程 序 协 调 器 程 序 设 计 、CC2430 程 序 设 计 设计 3.1 ZigBee 协调器的程序设计 、CC2430 选择添加设备的程序设计 。 、CC2430 协调器首先完成应用层初始化 将应用层 状 态 和接 收 状 ， 

南忠良，等 基于 ZigBee 技术的智能家居系统设计 2.4 GHz 默 认 的 个 域 网 网 最大单次发送 5， 态设为空闲 ， 然后打开全局中断并初始化 端口 接着协调 I/O 。 协调器自动选择 器开始建立无线星形网络 的 频 段 协议中 ， 每 秒 发 送 的 最 大 比 特 数 为 。 ， 络号 （PANID） 是 的字节数为 93， 每秒产生中断 62 500， 最大的堆栈深度为 0x1347， 串口的波特 率是 次 在 10 。 地址传送给控制中心 协调器识别为监控节点的一员 MCU。 ZigBee 57 600 bit/s，SLOW TIMER 协调器将其 网络建立成功后 ， 这里 控制中心 ， MCU 它被识别的地址为 ， 将 0。 ZigBee 程序进 ， ， 判 断 控 制 中 心 入主循环 。 首先判断是否有终端节点发送的新数据 如果有 则 直 接 把 这 个 数 据 传 送 至 控 制 中 心 MCU； MCU 是否有指令下传 ， 如果有则将下传的指令发送到相应的 终端节点 判断安防是否打开 ZigBee 有则把报警信息传送至控制中心 ； ， 是否有 盗 贼入 侵 如 果 判断灯光是否处于自 ， MCU； 动控制状态 如果是 ， ， 则打开模数转换器进行采样 采样 值 是 ， 灯光打开或关闭的关键 ， 如果发生灯光状态改变则把 新 的 状 态信息传送到控制中心 所示 。 MCU。 ZigBee 协调器程序流程如图 5 图 5 ZigBee 协调器程序流程 3.2 ZigBee 终端节点的程序设计 终 端 节 点 是 指 由 Zig- 在系统中主要是监控节点和选择添加的家用电器 协 调 器 控 制 的 无 线 ZigBee 方便 ， ZigBee 节点 ， Bee 控制器 。 ZigBee 打开中断和初始化 I/O 口 终端节点的初始化同样包括应 用 层 初始 化 接着尝 试 加入 。 协调器设置一致的终端节点才能加 ZigBee ， ， 需要 网 络 强调的是 只有和 ： 入到网络中 如果 两秒重新尝试一次 。 ZigBee 终端节点尝试加入网络失败 ZigBee 直至顺利加入到网络中 ， 。 则每 加入网 络 成 功 ， 后 由 ，ZigBee ZigBee 终 端 节点 将 其 注 册 信 息 发 送 至 ZigBee 协 调 器 再 ， 协 调 器 转 发 至 控 制 中 心 以 完 成 MCU 节点的注册 。 ZigBee 终端节点如果是监控节 点 及安 防 的 控制 点需将数据发送到 ， 程 序 与 协 调 器 部分 类 似 ZigBee ZigBee 协 调 器 ， 再由 ZigBee 终 端 ZigBee 则 实现 灯 光 只 是 监 控 节 协 调 器将 数 ， ， 据传送至控制中心 MCU。ZigBee 终端节点如果是电风扇控制 器 ， 则只需接收上位机的数据 而不必上传状态 故它的 控 制 ， ， 可以在无线数据接收中断中直接完成 在无线数据接收中断 。 ， 中 的控制参数 所有终端节点都是将接收的控制指令翻译成对节 点 本 身 在节点主程序中不对接收的无线指令进 行 任何 ， 4 联机调试 由 中 央 控 制 管 理 系 统 下 发 的 对 固 定 设 备 的 指 令 编 码 递 增的 指 令 ， 通过 计 算 机串 口 发 送至 控 制 中心 并 通 过 两 MCU， 线接口发送至协调器 在 终端 节 点 接收 完 成 时将 数 据 再 次 通 过 串 口 发 送 至 再由协调器发送至 终端节点 机 ZigBee ， ， ， 终 端 节 点 接 收 的 数 据 与 控 制 中 PC 在 这 台 PC 机 上 完 成 ZigBee 心所发送的数据的比较 。 中央控制管理系统每一秒发送 条 2 指令 ， 经过 5 h 的测试 包时停止测试 。 正确数据包 36 000 图 所示 6 。 测试软件显示共接收数据包数量为 ， 多协议数据传输测试软件测试结果如 正确率为 错误数据包数为 36 000， 0， 100%。 图 6 多协议数据传输测试结果 5 结束语 通过 技术实现智能家居内部组网 ZigBee ， 添加新设备灵活和控制性能可靠等优点 具有远程控制 通过 技 RFID 模块的 。 通过 ， ， 提高系统的安全性 实现了远程控制和报警功能 术实现用户身份识别 接入 参考文献: [1] 李文仲，段朝玉．ZigBee 无线网络技术入门与实践[M]．北京 ： GSM 。 。 北京航空航天大学出版社 ，2007：100-182． [2] 邓 子 云．贯 通 Java Web 轻 量 级 应 用 开 发[M]．北 京 ：电 子 工 业出版社，2008：205-300． [3] 李江 全 ，张丽 ，岑 红 蕾．Visual Basic 串 口 通 信与 测 控[M]．北 京：人民邮电船板社，2007：189-234． [4] 赵松涛．Visual Basic+SQL Server 2000 系统开发实录[M]．北 京：电子工业出版社 ，2007：205-300． [5] 王少卿 ， 霍迎辉．ATmega128 在开发应用中应注意的问 题 [J]．微型机与应用，2004，23（2）：15-17． [6] 郑长风，程光伟 ，郭军.一种基于红外探测转无线报警监控 系统[J].现代电子技术，2003，5（4）：84-86. 处理 。 欢迎投稿！ 欢迎订阅！ 欢迎刊登广告！ " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 在线投稿系统: http://mag.ieechina.com 地 ad@ieechina.com（广告） 邮政编码：710082 址： 西安市劳动南路 210 号 5-1-3 信箱 －119－