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摘 要：针对智能家居研究现状，设计了基于ZigBee无线传感器智能家具系统。该系统主要包括ZigBee组建的内部子网、智能家居网关以及移动手机终端三部分。并重点从基于ZigBee技术上阐述了控制系统的硬件、软件和多家具设备无线组网方法。经测试该系统运行良好，传输距离更远、功耗更低、稳定性更高等特点。
关键词：智能家居；ZigBee；布线系统
1 引言
智能家居，又称智能住宅，以住宅为基础，将综合布线技术，网络通信技术，安全防范技术，自动控制技术，传感器等技术集成化，创造高效的住宅环境与家庭日程事务的管理等。对各种家用设备（照明、家电、安防......）实现智能化、网络化的控制与管理，使多个家用设备形成了联动，为居住者提供了舒适、方便、快捷、安全的居住环境[1]，不断满足人们对智能住宅的要求，提高了人们的生活质量，实现了“人在外，家就在身边；人在家，世界就在眼前。”
当前，网络布线方式主要分为：有线布线和无线布线两种方式。在过去主要是有线布线方式，有线布线繁琐、成本高、移动性差、不美观等缺点[2]。而无线布线方式恰恰避免了以上的缺点，但是无线布线要求技术比较高。现在无线组网方式主要有：蓝牙技术、红外技术、Wi-Fi技术、ZigBee 技术等，其中ZigBee 技术功耗低、成本少、抗干扰能力强，所以本设计选用ZigBee技术组建家庭网络，实现无线布线[3]。
1 系统架构与工作原理
本系统主要包括三部分：ZigBee组建的内部子网、智能家居网关以及移动手机终端三部分。ZigBee组建的内部子网有一个协调器和多个终端节点组成。终端节点主要采集所需要的环境信息，或者与受控设备连接。将采集到的信息发送给协调器，协调器再将这些信息通过串口发送给智能家居网关，与上位机进行交互。
2 硬件设计
本设计硬件主要使用ST公司STM32微处理器作为主控芯片、ZigBee模块、电源模块、按键显示模块、以太网模块、GSM模块、报警模块等。用户可以通过万能遥控器或者直接控制触摸屏控制家里用电器。
2.1 ZigBee
ZigBee网络主要分为三种网络拓扑结构：星状网络、树状网络和网状网络，三种拓扑结构方式依次变复杂。根据本系统智能家具的特点，本设计选用星状网络。星状网络又称主从网络，一般应用在节点较少的网络系统中，相对比较简单。星状网络有一个全功能协调器和多个终端节点设备组成，本系统重点介绍环境采集终端（温度采集、湿度采集、PM2.5灰尘浓度采集、甲醛浓度采集等）。
本设计主要使用卓万科技有限公司开发的基于Zigbee2007/PRO 协议栈的2.4G Zigbee 无线串口透明传输通信模块。模块基于TI 高性能低功耗的2.4G 射频收发芯片CC2530 及大功率低噪声射频前端芯片CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。
2.2 主控芯片
在节点数量较多的时候，采集信息量较大，传输数据也比较多，所以要求MCU的处理数据较多。本设计主要使用的是意法半导体生产的STM32系列芯片，STM32是基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器芯片，时钟最高可达72MHz，64KB FLASH 20KB SRAM，并且低功耗特別适合智能家居使用。STM32提供了丰富的I/O接口，包括ADC、USART、I2C、SPI等。本设计在终端在环境采集模块当中主要使用的是ADC和I2C端口，本设计重点介绍终端节点的设计。
2.3 终端节点
终端节点主要是采集环境模块主要设计的是一系列传感器，在本次设计中温湿度传感器使用的是SILICON LABS生产的Si7020-A10，Si7020温湿度传感器是CMOS集成电路，并且集成温度和湿度传感器元件、模数转换器、信号处理器和I2C接口，该芯片体积小、功耗低、精度高。本次设计重点添加了现在人们特别关注的灰尘PM2.5传感器，让居住者实时了解家中粉尘浓度，PM2.5灰尘传感器使用的是CP2Y1010AU。灰尘传感器通过内部红外二极管，输出跟灰尘浓度成线性的电压值，最后通过电压值计算出空气中的灰尘和烟尘含量。
3 系统软件设计
3.1 ZigBee网络软件设计
ZigBee设备一般分为：协调器、路由器和终端节点，本设计采用的是星状网络，所以只存在一个协调器和多个终端节点。软件设计重点讲述的是终端节点和协调器。
3.1.1 终端节点软件设计
终端节点不仅需要采集相应的数据还要接收协调器发送过来的控制命令，比如Si7020温湿度传感器将周期性采集的温湿度信息通过ZigBee模块发送到协调器，成功发送后，节点进入睡眠模式，等到新的周期或者中断的到来，起到低功耗效果。
3.1.2 协调器软件设计
协调器在整个ZigBee无线网络中起着关键作用，相当于管理员身份，负责网络的建立、给各传感器分配地址、新成员的加入、节点设备的更新、对终端节点数据进行处理以及实现与上位机的通信。协调器初始化后就开始组建网络，处于等待数据查询状态，主要负责查询于该事件对应终端节点信息，向终端节点发送查询命令，最后接受终端节点发送过来的采集信息。
3.2 GSM/GPRS模块软件设计
在基于ZigBee智能家居系统中，当周围环境指标超过预设值的范围后，GSM模块就会接受ZigBee模块报警信息，并且GSM模块最终发送短信到用户，实时性的通知用户家中环境各项指标是否正常
4 结论
本文完成了基于ZigBee智能家居的设计，分别从硬件设计、软件设计等方面分析了系统的设计，实现了将终端节点采集的数据周期性传输到协调器然后和上位机通讯，当环境采集超过预设范围后GSM模块实时发短信给用户，实现了实时监控家中的一切信息，最终实现了“人在外，家就在身边；人在家，世界就在眼前。”
参考文献
[1]张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J]自动化技术与应用.30（8）：98-101.
[2]黄文凤.智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势.集成电路应用，2013（10）：16–18.
[3]李宁，陈建峰，黄建国，等.各种水下声源的发声机理及其特性[J].应用声学，2009，289（4）：241-248.
作者简介：王乐（1988-），男，河北石家庄人，西北民族大学硕士研究生，主要研究方向：物联网。
关键词：智能家居；ZigBee；布线系统
1 引言
智能家居，又称智能住宅，以住宅为基础，将综合布线技术，网络通信技术，安全防范技术，自动控制技术，传感器等技术集成化，创造高效的住宅环境与家庭日程事务的管理等。对各种家用设备（照明、家电、安防......）实现智能化、网络化的控制与管理，使多个家用设备形成了联动，为居住者提供了舒适、方便、快捷、安全的居住环境[1]，不断满足人们对智能住宅的要求，提高了人们的生活质量，实现了“人在外，家就在身边；人在家，世界就在眼前。”
当前，网络布线方式主要分为：有线布线和无线布线两种方式。在过去主要是有线布线方式，有线布线繁琐、成本高、移动性差、不美观等缺点[2]。而无线布线方式恰恰避免了以上的缺点，但是无线布线要求技术比较高。现在无线组网方式主要有：蓝牙技术、红外技术、Wi-Fi技术、ZigBee 技术等，其中ZigBee 技术功耗低、成本少、抗干扰能力强，所以本设计选用ZigBee技术组建家庭网络，实现无线布线[3]。
1 系统架构与工作原理
本系统主要包括三部分：ZigBee组建的内部子网、智能家居网关以及移动手机终端三部分。ZigBee组建的内部子网有一个协调器和多个终端节点组成。终端节点主要采集所需要的环境信息，或者与受控设备连接。将采集到的信息发送给协调器，协调器再将这些信息通过串口发送给智能家居网关，与上位机进行交互。
2 硬件设计
本设计硬件主要使用ST公司STM32微处理器作为主控芯片、ZigBee模块、电源模块、按键显示模块、以太网模块、GSM模块、报警模块等。用户可以通过万能遥控器或者直接控制触摸屏控制家里用电器。
2.1 ZigBee
ZigBee网络主要分为三种网络拓扑结构：星状网络、树状网络和网状网络，三种拓扑结构方式依次变复杂。根据本系统智能家具的特点，本设计选用星状网络。星状网络又称主从网络，一般应用在节点较少的网络系统中，相对比较简单。星状网络有一个全功能协调器和多个终端节点设备组成，本系统重点介绍环境采集终端（温度采集、湿度采集、PM2.5灰尘浓度采集、甲醛浓度采集等）。
本设计主要使用卓万科技有限公司开发的基于Zigbee2007/PRO 协议栈的2.4G Zigbee 无线串口透明传输通信模块。模块基于TI 高性能低功耗的2.4G 射频收发芯片CC2530 及大功率低噪声射频前端芯片CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。
2.2 主控芯片
在节点数量较多的时候，采集信息量较大，传输数据也比较多，所以要求MCU的处理数据较多。本设计主要使用的是意法半导体生产的STM32系列芯片，STM32是基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器芯片，时钟最高可达72MHz，64KB FLASH 20KB SRAM，并且低功耗特別适合智能家居使用。STM32提供了丰富的I/O接口，包括ADC、USART、I2C、SPI等。本设计在终端在环境采集模块当中主要使用的是ADC和I2C端口，本设计重点介绍终端节点的设计。
2.3 终端节点
终端节点主要是采集环境模块主要设计的是一系列传感器，在本次设计中温湿度传感器使用的是SILICON LABS生产的Si7020-A10，Si7020温湿度传感器是CMOS集成电路，并且集成温度和湿度传感器元件、模数转换器、信号处理器和I2C接口，该芯片体积小、功耗低、精度高。本次设计重点添加了现在人们特别关注的灰尘PM2.5传感器，让居住者实时了解家中粉尘浓度，PM2.5灰尘传感器使用的是CP2Y1010AU。灰尘传感器通过内部红外二极管，输出跟灰尘浓度成线性的电压值，最后通过电压值计算出空气中的灰尘和烟尘含量。
3 系统软件设计
3.1 ZigBee网络软件设计
ZigBee设备一般分为：协调器、路由器和终端节点，本设计采用的是星状网络，所以只存在一个协调器和多个终端节点。软件设计重点讲述的是终端节点和协调器。
3.1.1 终端节点软件设计
终端节点不仅需要采集相应的数据还要接收协调器发送过来的控制命令，比如Si7020温湿度传感器将周期性采集的温湿度信息通过ZigBee模块发送到协调器，成功发送后，节点进入睡眠模式，等到新的周期或者中断的到来，起到低功耗效果。
3.1.2 协调器软件设计
协调器在整个ZigBee无线网络中起着关键作用，相当于管理员身份，负责网络的建立、给各传感器分配地址、新成员的加入、节点设备的更新、对终端节点数据进行处理以及实现与上位机的通信。协调器初始化后就开始组建网络，处于等待数据查询状态，主要负责查询于该事件对应终端节点信息，向终端节点发送查询命令，最后接受终端节点发送过来的采集信息。
3.2 GSM/GPRS模块软件设计
在基于ZigBee智能家居系统中，当周围环境指标超过预设值的范围后，GSM模块就会接受ZigBee模块报警信息，并且GSM模块最终发送短信到用户，实时性的通知用户家中环境各项指标是否正常
4 结论
本文完成了基于ZigBee智能家居的设计，分别从硬件设计、软件设计等方面分析了系统的设计，实现了将终端节点采集的数据周期性传输到协调器然后和上位机通讯，当环境采集超过预设范围后GSM模块实时发短信给用户，实现了实时监控家中的一切信息，最终实现了“人在外，家就在身边；人在家，世界就在眼前。”
参考文献
[1]张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J]自动化技术与应用.30（8）：98-101.
[2]黄文凤.智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势.集成电路应用，2013（10）：16–18.
[3]李宁，陈建峰，黄建国，等.各种水下声源的发声机理及其特性[J].应用声学，2009，289（4）：241-248.
作者简介：王乐（1988-），男，河北石家庄人，西北民族大学硕士研究生，主要研究方向：物联网。