一种基于ZigBee和WiFi技术的智能家居系统

　　科技的进步以及人们物质生活水平的提高，逐渐推动了智能家居概念的出现。现在，身为物联网的十大应用领域之一，智能家居的应用与生活息息相关。各种无线通信技术的不断发展，使家庭智能系统的智能化和远程控制成为一种现实。对于家庭网络通信而言，传输数据量小，在传输速率上要求不高，网络容量大，家电设备多，所以要求信息实时性好、时延短、成本低。

　　ZigBee作为一种新兴无线网络通信技术，它的低成本、低功耗和较宽的覆盖范围，使其应用在智能家居领域具有很大的优势。针对目前市场上的智能家居产品结构复杂、通用性能不强及用户体验不佳等问题，本文设计并实现了一种更为完善的智能家居系统。

　　1 系统整体方案设计

　　1.1 系统构成

　　智能家居系统主要由家庭网关、ZigBee模块、GSM／GPRS模块、Wi-Fi模块、液晶触摸屏、各类传感器以及手机软件终端等组成。家庭网关是整个系统的核心控制部分，其中ZigBee协调器负责无线采集和控制网络的链接、数据的分析以及指令的下达；ZigBee各模块则是采集环境信息并根据指令对底层设备进行控制。系统总体框图如图1所示。

　　用户可通过远程网络或者手机软件把控制命令发送给家庭网关，由ZigBee协调器对下面负责环境信息采集或控制家电的各个ZigBee模块进行控制，家庭网关也能通过GPRS或Wi-Fi向手机软件反馈设备运行状况和采集到的数据。当设置在家中的传感器探测到有异常情况时，不仅家中的报警器会开始报警，系统还会通过GSM／GPRS模块向用户的手机发送报警短信。

　　1.2 ZigBee网络拓扑结构

　　ZigBee的网络拓扑结构主要有3种：星形、树形、网形。星形网结构简单，成本低，但是通信会受到距离的限制，覆盖范围小；树形网存在路由，所以覆盖范围比星形网要大，但是一旦某个路由发生故障，与其相连的节点就会从网络中断开；网形网结构较复杂，覆盖范围大，可靠性能较高。

　　居住面积不大的家庭用星形网有较高的性价比，如果居住面积较大则用网形网络会有更好的效果。本智能家居系统选用星形网络建立拓扑结构。

　　2 系统硬件设计

　　2.1家庭网关主控制器

　　本智能家居系统的设计中，网关主控制器的控制芯片采用了三星公司的S3C6410，它是16/32位RISC微处理器，采用ARM1176JZF-S内核，主频达到667 MHz，能够满足系统对实时性的要求。S3C6410支持最大分辨率为1 024×1 024的TFT 24 bit LCD屏，具有2路IIC、4路UART以及全功能的SPI，它还有两个PCM Audio接口、两个USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地进行外围扩展。S3C6410价格低、性能高且功耗低，完全符合本设计要求。在添加了电源模块、GSM／GPRS模块、触摸屏以及Wi-Fi模块等外围电路后，便组成了家庭网关主控制器。网关内核心模块关系图如图2所示。

　　2.2 ZigBee模块

　　本设计中ZigBee模块分为射频收发模块和底层控制板两个部分。

　　射频收发模块采用美国德州仪器公司的CC2530芯片作为控制芯片。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个真正片上系统解决方案，它能够用低成本的材料组建强大的网络节点，能够友好地支持低功耗无线通信。底层控制板与射频收发模块相连，上面有一个8位拨码开关输入、2路数字量输入、2路数字量输出、1路模拟量输入、1路模拟量输出以及1个IIC总线接口。其中，ZigBee协调器模块通过RS232串口与家庭网关相连接。底层控制板的通用性良好，根据8位拨码开关可选择自身的功能，用户能够根据需求对底层的节点进行扩展。

　　2.3 GSM／GPRS模块

　　本设计中采用了晨讯科技的GSM／GPRS模块SIM300。SIM300是小体积即插即用模组中完善的GSM／GPRS解决方案，它内嵌强大的TCP／IP协议栈，能够以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM300上电后自动附着在GPRS网络上，并与数据中心建立通信链路，随时收发远端用户设备和控制中心的数据。网关通过RS232串口与SIM300连接，并以AT指令控制其打电话、发短信。

　　3 系统软件设计

　　系统软件的设计包含3个部分：网关控制部分、ZigBee网络部分以及手机应用软件。系统软件结构图如图3所示。

　　3.1 网关主控制器的程序设计

　　网关主控制器采用Linux系统作为开发平台。它的驱动程序非常丰富，支持多任务及各种主流的硬件设备，用户可以根据自己的需求对它进行修改。

网关初始化之后可以接收来自手机端和触摸屏的命令及ZigBee协调器的数据，之后根据命令和对数据分析的结果通过ZigBee协调器向底层设备发送控制指令，并将底层设备的运行状态通过Wi-Fi发送至手机