隨著無線通訊技術和物聯網技術的深入發展，將無線通訊技術應用在智慧家居控制領域今後的發展趨勢。目前智慧家居控制系統主要採用的是有線通訊方式。包括串列埠線、乙太網、同軸電纜等。有線通訊方式的優點是技術成熟、傳輸可靠、速度快，但需要進行大量的佈線工作，可擴充套件性差，成本也高。與其他短距離無線技術相比，基於ZigBee 技術的無線感測網路以其低複雜度、低成本、低功耗等特點成為了組建智慧家居控制網路的首選方案。本文針對現有的智慧家居控制系統的發展現狀，提出了一種基於ZigBee 智慧家居控制系統的解決方案。

本文引用地址：http：//www。eepw。com。cn/article/201610/308316。htm

1ZigBee 無線通訊技術簡介

ZigBee起初是由IEEE 802。15工作組提出的，並制定規範了IEEE 802。15標準。ZigBee是基於此標準規範的一種近距離、低複雜度、雙向無線通訊技術，主要適合於自動控制和遠端控制領域，可以嵌入各種裝置中。Zigbee技術有如下主要特點：

1）低功耗：ZigBee由於傳輸速率低，並且支援休眠模式，因此具有低碳節能的效果。經測試，在低耗電休眠模式下，用2節5號乾電池可支援1個功能節點工作最長達24個月，由此在相同情況下，藍芽可工作1月左右，而WiFi工作時間僅有幾個小時，這是Zigbee的突出優勢。

2）低成本：由於ZigBee標準協議的大幅簡化，降低了對通訊處理器的要求，僅需要8位處理器，主節點需要32 kB的RAM，子功能節點的4 kB的ROM即可，在很大程度上降低了晶片的成本費用。

3）短時延：的響應速度非常快，從休眠狀態喚醒，進入工作狀態僅需15 ms，ZigBee各節點連線，進入網路只需30 ms。相比較，藍芽需要3~10 s、WiFi需要3 s。

4）資料傳輸速率低：只有10k位元組/秒到250k位元組/秒，專注於低傳輸應用。

5）網路容量大：每個ZigBee網路最多可支援255個裝置。

2系統的總體設計

2。1 系統架構設計

智慧家居控制系統的設計主要包括基於ARM處理器閘道器伺服器設計、基於ZigBee無線感測網路的組建、控制終端的設計，被控制終端節點的設計。系統的整體架構如圖1所示。

ARM處理器為智慧家居控制系統的控制中心，智慧手機和LCD觸控式螢幕作為控制終端，智慧手機透過WiFi接入ARM控制中心，智慧手機實現遠端控制，LCD觸控式螢幕實現本地近程

控制。ZigBee無線技術將被控終端組建成一個內部無線區域網。基於ARM家庭內部控制中心（家庭閘道器）接受來自遠端（智慧手機）和本地（LCD觸控式螢幕）的控制指令，協調處理這些控制指令，來控制底層的家用裝置。底層構建的基於ZigBee技術的無線區域網覆蓋燈光控制、窗簾控制、環境引數的採集、常用家電的控制。最終實現智慧手機、LCD觸控式螢幕透過系統控制中心能實時協調控制基於ZigBee技術無線感測網路所覆蓋的常用家庭裝置和採集環境引數。

2。2 系統組網設計

本系統是採用ZigBee無線技術組建的內部區域網絡。ZigBee定義了兩種物理裝置型別全功能裝置FFD（Full Function Device）和精簡功能裝置RFD（Reduced Function Devi ce）。FFD支援任何拓撲結構，可以充當網路協調器（Network Coordinator），能和任何裝置通訊。RFD通常只用於星型網路拓撲結構中，不能完成網路協調器功能，且只能與FFD通訊，兩個RFD之間不能通訊。但它們的內部電路比FFD少，因此實現相對簡單，也更節能。

ZigBee網路支援3種功能裝置：網路協調器（Network Coordinator）、網路節點（Network Node）及IEEE節點（IEEENode）。前兩種都是FFD，可以與任何節點通訊。IEEE節點是RFD。

ZigBee有3種網路拓撲結構：星型（star）、簇樹型（Cluster）和網狀網（MESH），具體採用哪種網路拓撲結構，應考慮家庭網路的實際情況。由於家庭電器裝置分佈在不同的房間，屋內牆壁等障礙物多，因此通訊訊號會受到干擾，在綜合成本、靈活性、可靠性等多因素的考慮，本次智慧家居控制系統採用星型（Star）拓撲方式，星型（Star）拓撲具有延時時間短、操作簡單等其他網路拓撲結構沒有的優點。星型（Star）拓撲結構如圖2所示。

3系統硬體設計

系統控制中心（ARM處理器）採用Samsung S3C2440處理器，採用外接DM9000乙太網卡與USB WIFI模組來接入乙太網與WIFI網路，透過串列埠控制ZigBee協調器，同時配置了觸控式螢幕支援本地觸控介面操作。被控終端子節點主要由ZigBee子節點模組、MCU控制單元與被控終端（燈光、窗簾、家電）組成。

Atmega16微控制器作為控制單元透過串列埠接受來自ZigBee子節點的控制指令併產生了相應的控制指令控制被控終端。ZigBee模組的微控制器是採用TI公司的CC2530，該晶片與控制單元透過串列埠通訊。LED調光碟機動晶片採用的是P4115，它是一款連續電感電流導通模式的降壓恆流源，透過DIM引腳輸入佔空比可調的PWM，便能輸出大小可調的橫流LED驅動電流，最大輸出電流可達1 A，最大能夠驅動25~30 W的LED。窗簾控制是採用步進電機，家電控制是採用紅外方式，溫度採集是採用ZigBee內部整合的溫度感測器。系統硬體框圖與被控子節點硬體框圖如圖3所示。

4系統的軟體設計

4。1 伺服器的設計

基於ARM平臺的控制系統移植了Linux作業系統，因此伺服器的設計是基於Linux平臺的伺服器的設計。由於Linux核心程式碼開源、核心可裁剪，因此Linux成為嵌入式平臺作業系統的首先。Linux是類Unix系統，它繼承了Unix強大的功能和極佳的穩定性，並降低了對硬體環境的要求。由於Linux的設計者重新改寫了TCP/IP協議，因此Linux具有更為穩定和靈活的網路效能。

伺服器設計技術有很多，按使用的協議來分有TCP伺服器和UDP伺服器。按處理方式來分有迭代伺服器和併發伺服器。一個好的伺服器，一般都是併發伺服器。本系統也是設計成併發伺服器。在客戶端朋艮務器模式中，將請求服務的一方稱為客戶（client），將提供某種服務的一方稱為（server）。本系統就是採用的這種客戶、伺服器（C/S）模式。伺服器接受來自客戶端的控制指令後透過串列埠寫相應的指令Zigbee協調器。伺服器是應用select模型實現的TCP併發伺服器，伺服器軟體流程圖如圖4所示。

4。2 被控終端軟體的設計

被控終端主要由ZigBee子節點模組、MCU控制單元與被控終端組成。控制終端傳送控制指令，經過伺服器透過Zigbee協調器轉發給相應的Zigbee子節點。Zigbee子節點透過串列埠寫相應的指令給Atmega16微控制器，微控制器分別實現特定的功能（控制燈光、家電、窗簾）。控制終端微控制器的工作流程圖如圖5所示。

5系統測試與分析

5。1 基於ZigBee的組網測試

基於ZigBee協議成功組建了一個星型網路，一個協調器，3個子節點（網路節點、IEEE節點）。協調器負責組建網路，子節點接入網路後實現與協調器之間通訊。透過串列埠助手對協調器與網綹節點之間的資料收發進行了測試。子節點接受資料時網路通訊方式為廣播方式，協調器每隔100 ms傳送一位元組資料給網路節點。協調器接受資料時，網路通訊方式為點播方式，節點每隔100 ms向網路協調器傳送一位元組資料。測試結果如表1所示。

5。2 系統的聯合測試

啟動Mini2440系統板（系統控制中心）並執行伺服器程式和QT介面控制程式，啟動ZigBee協調器和子節點並連線與子節點相連線的被控終端，啟動客戶端程式。整個系統能穩定協調執行。伺服器能準確接收來自客戶端所傳送的控制指令並寫相應的指令到與Mini2440開發板串列埠相連線的ZigBee協調器。

伺服器執行情況如圖6所示。QT介面程式能實現對常用裝置的本地控制，QT控制介面如圖7所示。主控制介面如圖7（a）所示，燈光控制介面如圖7（b）、家電控制介面如圖7（c）

所示。

6結論

本文基於ZigBee無線通訊技術、以ARM處理器為控制中心提出了一種智慧家居的整體架構和解決方案。在ARM平臺上搭建一個併發伺服器和一個QT介面程式。能協調接受來自智慧手機和LCD觸控式螢幕發來的控制指令並且正確控制相應的被控終端。達到了智慧家居控制系統控制智慧、方便、可擴充套件性好等優點。透過實際測試系統比較穩定，人機介面友好，達到了設計要求。由於篇幅有限相關基於安卓平臺的客戶端程式的開發、組網設計、終端設計等技術細節就沒敘述。