一种基于ZigBee的智能家居环境信号采集与控制系统设计

作者/ 戚仕鹏¹ 谢屈波¹ 何山² 1.华中科技大学 计算机科学与技术学院(湖北 武汉 430074) 2. 华中科技大学 经济学院(湖北 武汉 430074)

摘要：本设计基于德州仪器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee协议与无线局域网混合的方式，实现感知家居的环境参数采集和远程家电控制功能。系统设计简单、性价比高、功耗低、稳定可靠，具有较强的实用性和广阔的市场前景。

引言

伴随着移动互联网的发展，各类民用级电子产品开始能够连接云端，带有APP的智能硬件如雨后春笋般涌现到消费电子市场，其中不乏适用于家用环境的智能家居类设备。智能家居作为一项提出多年的概念，由于缺乏统一的行业标准，各大品牌的设备相互不能兼容，所以一直没有得到腾飞式的发展。谷歌收购NEST温控设备，苹果公司发布HomeKit，微软发布WinXiot版本，预示着国外IT巨头看好智能家居市场并积极布局。

作为隐藏在智能家居背后的通讯协议，除了普通居民耳熟能详的Wi-Fi(家用局域网)外，低功耗的短距离传输协议(如ZigBee、蓝牙和Zware等)也已发展成熟稳定，物联网使得设备间也能相互通信。不同品牌设备之间的开放与互联互通，将原有的信息孤岛相互联系起来将成为未来的大趋势。2016年3月8日，海尔向开发者开放了U+平台，美的集团也向第三方开放了M-Smart的SDK(软件开发工具包);3月31日，微软也发布了MS Bot Framework机器人框架，巨头们的纷纷表率预示着更多的厂商将会开放自身的软硬件平台，使得家电设备，以及越来越多的智能硬件单品可以整合到一起。

旧版本的智能家居系统大多采用总线控制，装修布线的成本非常高，并且严重降低用户体验。新一代智能家居产品以小米和华为的最新产品为例，均采用Wi-Fi与ZigBee协议。本文介绍了一种兼容性强、性价比高的环境信息采集和家电控制系统。

1 系统概述

要实现一套性价比较高的智能家居系统，所需的功能由用户的核心需求来决定。根据马斯洛需求层级，生理和安全方面的需求应当放在首要实现的位置，实现的功能必须包含安全防盗、火警、有害气体检测和危险情况及时报警;其次是生活的便利化，包括对家庭环境的随时随地查看，家电的远程控制等;最后是需求的个性化，例如SOHU办公、孕婴或行动不便、视力障碍或听觉障碍等情况，是用户分散的长尾需求指标。用户用例如图1所示，通过PC电脑浏览器或移动APP均可实现，本文重点实现移动端。

根据用户的需求，考虑实际的居家场景和使用习惯，本文介绍一种可行的解决方案。首先，环境参数采集需要使用传感器，包括温湿度、被动人体红外、光照强度、烟雾及瓦斯探测;若增加成本，可以加入摄像头和PM2.5检测传感器;其次，为了降低装修布线成本，采用无线方式，即无需布线。通讯协议优先考虑WLAN+ZigBee混合的方式是由于WLAN的普及程度高，ZigBee协议的功耗低(可以使用电池工作)，且覆盖半径(有墙干扰约20m)比蓝牙高。最后，为了实现远程查询控制，云端服务器和移动端APP将是最便利的途径。整套系统的抽象架构框架如图2所示。

综合考虑系统实现的性价比来进行硬件芯片的选型。关于网络摄像头和智能家电，其具体的连接参数和控制接口都在各自设备的官网指定，例如海尔的U+和美的的M-smart。为了降低装修成本，采用低功耗的无线通讯协议，并将设备直接黏贴在墙上，用电池工作是最快捷、最经济的方案，也是目前绝大多数厂商的选择。再综合考虑兼容性问题，例如小米和华为的智能家居设备已经采用了ZigBee协议，通过Z-stack协议栈即可相互通信，所以我们选择德州仪器提供的CC2530解决方案，稳定性强且价格较低。其中，每个房间都可以安装一个设备来采集信息(由用户决定)，从设备节点作为路由节点(Router)实现快速组网和通讯。主节点的CC2530芯片工作状态为协调器(Coordinator)，负责整个ZigBee网络的协调和组织，然后通过ESP8266芯片将ZigBee的信号转换成TCP/IP协议的WLAN数据。这样，只要家中有无线路由器，即可联通所有设备，从而兼容更多其他设备。关于主控设备，可以在云端服务器，可以是PC机，也可以是更低功耗的嵌入式设备，例如小米和360的路由器;如果追求功能简单稳定，甚至可以是单片机设备。

如图3所示，整套系统分为传感器采集与传输、初始化配置、家电控制、安防报警和云端移动端服务五大核心模块，包含并具体实现图1中的用例需求。

2 软硬件实现

关于传感器的选型，如表1所示为高性价比实现智能家居核心所需的部分配件，可以选择的传感器有超过二十种，均可通过网购获得。

硬件设备选型：德州仪器CC2530开发板是由若干(从节点)自制传