基于ZigBee无线通信技术的智能家居应用研究
时间：2023-06-13 09:10:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
兰劭晖
（联通数字科技有限公司，北京 100000）
智能家居系统的应用是以人为本家居设计理念的具体体现。智能家居控制系统对于数据传输能力的要求不高，具有低能耗和低使用成本优势的ZigBee无线通信技术被广泛应用于智能家居建设场景，有效解决了智能家居建设中覆盖面积小和传输速率低的问题。
ZigBee无线通信技术是IEEE 802 15.4协议规定的技术代名词，是一种低功耗、短距离以及低成本的无线通信技术。无线移动网络基站能够实现通信和交流，构建一个结构复杂的无线数据传输网络平台，每个平台的最大扩展距离可以达到75 m。
设计智能家居系统时，应保证在统一的标准下，针对各种类型信号选择科学且合理的无线技术设计控制器[1]。本文提出一种基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统设计方案，通过将功能控制模块和通信模块分开设计的方式，实现对各种家居设备接口的控制，利用放置在房间内的分节点和主节点共同组成ZigBee无线通信网络。
基于ZigBee无线通信的智能家居硬件系统主要由传感模块、通信模块、微处理器以及电源等部分构成，并利用CC2530实现功能集成。微处理器和无线通信模块支持ZigBee通信协议和CC2530标准，采用单片机设计优化电路。传感器由温度采集感应器和湿度采集感应器构成，实现对房间内温湿度的监控，并使用5 V电源供电。
3.1 CC2530
CC2530作为ZigBee无线通信技术的核心，功能强大，常用来开发功能较为复杂的网络节点，具有运行稳定、开发成本低等诸多优点，还能实现程序的内部编写，切换不同的运行模式，提高运行效率。CC2530系统由复位电路和振荡电路等功能电路构成，其中振荡电路能够依据时间周期调整电流的大小和方向。
3.2 电源电路
系统中的电源管理指调节和分配电源电压，为其他模块提供正常工作所需的电压。因此，提升电源管理模块的性能对整个系统的运行稳定性具有十分重要的意义[2]。此次设计需设定电压和电流等电路基本参数，优化电源的工作效率，实现抗干扰等功能。
3.3 传感器
传感器主要由数字温湿度传感器DHT11、烟雾传感器MQ-2和光敏传感器构成。DHT11温湿度传感器负责采集室内的温湿度数据，并输出精准度较高的数字信号。该传感器的核心模块是一个电阻式感湿元件和负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）测温元件，分别负责监测湿度和温度[3]。它的外部结构能够和单片机直接连接，提高系统对外部请求的响应速度。烟雾传感器MQ-2主要负责采集室内烟雾信号，内部使用电导率非常低的二氧化锡作为气敏材料。系统利用该材料电导率的变化检测气体浓度，向微处理器发送数据信号。光敏传感器主要应用于室内的照明系统，实现对室内各灯具的控制。本设计中的照明管理系统主要由光传感器、继电器以及控制开关等硬件设施构成，其中光敏传感器可以识别室内环境，并将光信号转换为对应的电信号，控制灯具的开关。
3.4 无线通信收发器
无线通信收发器主要负责发送和接收信号。系统中的无线模块由射频（Radio Frequency，RF）内核控制，具有互联网协议（Internet Protocol，IP）识别和数据包处理引擎，支持ZigBee RF4CE通信协议。无线通信收发器通过外部接口连接微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）和设备，搭建信号数据传输的通道[4]。ZigBee无线通信技术采用的通信方式具有通信耗时短、能量消耗小以及使用成本低等优点。该双向性无线短距离通信技术存在数据传输效率较低的问题，节点之间的通信距离最大为75 m，而ZigBee可以通过组网采取多跳的方式实现远距离通信。
3.5 人机交互界面
该系统的人机交互界面嵌有较完整的简体中文字库，能够清晰显示文字，且可以输出32行不同点阵的汉字和图形，满足基本使用需求[5]。人机交互系统中的液晶显示模块分辨率为128×128，功耗较低。系统各个引脚的相关说明如表1所示。
表1 人机交互系统液晶显示屏引脚
基于ZigBee无线通信智能家居软件系统主要由单片机软件、上位机软件、ZigBee无线通信模块以及串口通信模块等部分构成。
4.1 单片机软件
系统设计中采用C52单片机，单片机程序编写完成后，利用专业的仿真软件调试，调试结果符合设定的目标后，将生成的HEX文件下载至单片机中通电运行，并在系统硬件中展开全面测试。单片机软件设计包含DHT11传感器、MQ-2烟雾传感器以及光敏传感器等[6]。软件设计时，首先搭建单片机软件开发平台编写程序代码，并将编写完成的代码转换为可执行文件，其次将该执行文件下载至系统节点内部测试运行，最后调试软件。单片机软件设计流程如图1所示。
4.2 ZigBee无线通信协议设计
ZigBee无线通信协议的终端节点软件设计应能够实现数据采集、数据信息显示、数据信息传输以及和无线模块之间的相互通信。通信协议为搭建无线通信提供相应的技术支持，为信号数据的解析提供支撑，是ZigBee无线通信的重要组成部分。ZigBee无线通信协议程序的设计流程如图2所示。
图2 ZigBee无线通信协议设计流程
4.3 串口软件设计
采用C++实现串口之间的数据通信，应掌握串口的具体操作方法，使用Qt提供的应用程序接口（Application Program Interface，API）通信函数完成串口通信的设计，打开串口，获取串口句柄后，配置串口参数。
串口软件程序中部分源代码设计为
随着科学技术的不断发展，以ZigBee无线通信技术为基础的智能家居获得了快速发展，很大程度上改变了人们的生活方式，提高了人们的生活品质。
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