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基于ZIGBEE技术的智能家居控制系统设计


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智能家居 ?  
?

低压 电器 (o 8 4  20 №1 ) 现 代 建 筑 电气 篇 

基 于 Z g e 术 的 智 能 家 居  iB e技 控 制 系统 设 计 
胡晓 东, 戴瑜 兴   

( 湖南大学 电气

与信息工程学院 , 湖南 长沙 4 0 8 ) 1 0 2 
摘 要 :由于 Zg e 技 术 的低 速 率 、 功 耗 、 成 本 等 特 点 , 计 了 基 于 Zg e 技  iB e 低 低 设 iB e

术的智能家居控制系统 。阐述了实现该系统的总体设计思想 和软硬件 实现 方法 。该 系 
统能够充分满足家庭网络通信的基本要求 , 具有灵 活 、 高效 、 本低 等优点。 成  

胡 晓 东 ( 96 )  17 一 , 女 , 士研 究生 , 硕 讲 
师 , 究 方 向 为 建  研 筑智能化技术 。  

关键词 : iB e 智能家居 ;控制网络 ;家庭 网络通信  Zg e;
中图分类号 :T 8 5 T 2 3 文献 标识 码 :B 文章 编 号 :10 — 3 (0 8 1 — U 5 : P 7    0 15 1 2 0 ) 4  5
0 90   01 - 3

De in o   m a tH o e Co t o  y t m   s d o   g e Te hn lg   sg   fS r  m   n r lS se Ba e   n ZiBe   c o o y
HU Xio o g , DAI Yu i g adn   xn  

( ol eo Eetcl n  n r t nE gne n ,H n nU i r t,C a gh  10 2, hn ) C l g f l r a adIf ma o  n ier g u a   nv s y hn sa4 0 8 C ia  e   ci   o i i ei
A bsr c :Be a e o   g e tc oo y c rc eitc   flw s e d, lw  o r c n ump in a  lw  o t  ta t c us   fZiBe  e hn lg   haa t rsis o  o pe o p we  o s to   nd o c s , t e s r  mec n r ls se b s d o   g et c n l y wa   sg d Thede in i e   nd r aiain m eh d   f h  ma tho   o to y t m  a e   n ZiBe  e h oog   sde ine .   sg  d aa   e lz to   t o so  

h r w r  n   ot a e w r  ic s e .T e s se c n me tt e b s   e u r me t o  o   ewo k c mmu ia   ad a e a d s fw r  e e d s u s d h   y tm  a   e h   a i r q ie n s f h me n t r   o c   nc —
to in. I svey fe i e, e i in  n  o c s . ti  r   xbl l f ce ta d lw  o t  

Ke   r s y wo d :Zi Be g e;s r  o ma th me;c n r ln t r o t o  ewo k;h me n t r   o o   e wo k c mmu ia i n nc t   o

0 引 言     
智 能家居 是现 代计算 机 技术 、 息 技术 、 信 控制 
技术 发展 相结 合 的产物 。智 能家居 技术 的发 展经 

1 Zg e 技 术 及 智 能家 居 控 制 系统    i e B
1 1 Zg e 协 议 栈架构  .  iB e

Zg e iB e技 术 的 体 系 结 构 主 要 由 物 理 层 

历 了有线 方式 和无 线方式 两个 阶段 。由于有 线 网  络 固有 的布线麻 烦 、 可扩 展性 差等缺 点 , 无线 网络 

(Y 、 P H)媒体接人控制层( A ) 网络/ MC 、 安全层 以   及 应 用 框架 层 组 成 , 图 1 示 。它 具 有统 一 的  如 所 技术标准 , 物理层 和媒体 接人控制层 采用 IE   EE 82 1 . 协议标准 , 0 .54 网络层 由 Z B e i e 技术联盟制  g 订 , 用框 架层 的开 发 应用 则 根 据 用 户 自己 的应  应 用 需求 进行 。  

技术应用于家庭 网络已成为必然趋势。这不仅 因  
为无 线 网络可 以提供 更大 的灵 活性 、 流动 性 , 去  省
了浪 费在 综合 布线 上 的费 用 和精 力 , 而且 更 因为 

它符合 家庭 网络的通 信特 点 。Zg e iBe是最 近发 展  起来 的一 种短距 离无 线通信 技术 , 有近 距离 、 具 低  功耗 、 速 率 、 低 低成 本 等 特点 , 能够 为 用 户提 供 机 
动 、 活 的组 网方 式 , 常适 合 于 家庭 控 制 , 不  灵 非 在

久的将来将成为智能家居控制技术的重要发展方  向。为 了充分发挥 Z B e i e 技术 的特点及其 在现  g 代 家居控 制 网络 中的 应用 优 势 , 计 了一 种 基 于  设
Zg e iBe技术 的智 能家居 控制 系统 。  

图 1 Zg e   i e技术协议组成  B

戴瑜 兴(9 6 ) 男 , 授 , 生导师 , 15一 , 教 博士 研究方 向为数字 化与智能化系统设计理论及应用 。  


1 一  9

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低压 电器 (0 8 o4  20 N 1 ) 现代 建筑 电气篇 

? 智能家居 ?  

1 2 智能家居控 制 系统  .

太 网能够 连接 到 We b上 , 要 时可 以远程 监 视 网  需 络 中的任 意一 台设备 。  

智 能家居控 制系 统控制 着家庭 中各种设 备 的 
运行 , 空调、 衣机 、 如 洗 电视 机 、 明 系统 等 的 开  照 启 、 闭和工 作状 态 的调节 。控 制 网络上 传 输 的  关 信息 主要 是控 制信息 以及一 些物理量 的参 数 。信 
号 的频 率相对 较低 , 因此传输 速率也 可 以 比较低 ,  


2 智 能 家居 控 制 系 统 的软 硬 件 系 统   
设 计及 实现 
智能 家 居控 制 系统 由空 调 、 衣机 、 水器 、 洗 热  

般在数 十 k/ 就 可 满 足要 求 。但 是 信 息 传输  bs

的可靠性要求 比较高 。这是因为它传输的信息是 
各种设 备 的控 制 信息 , 误 信息 不 仅可 能 导 致设  错 备 的非 正 常 工 作 , 且 可 能 导 致 设 备 的 损 坏 。 而   Zg e iBe技术 具有低速 率 、 等优 点 , 可靠 可满 足智 能 
家居 控制 系统 的要 求 。   1 3 系统 总体设计 思想  . 

电视机 、 品冷冻 柜 等 5个节 点 控 制模 块 及 家庭  食
网关组成 。  

2 1 系统节 点的硬 件设计及 实现  .  基 于 Zg e 术 的 智 能 家居 控 制 系 统 节 点  iB e技 硬件 系统结 构如 图 3所示 。系统 由一 片低 功耗 8   位微 处理 器 和 一 个 无线 数 据 传 输 模 块- 外 接 的  及 L D、 C 传感 器 、 天线 等 构成 。微 处 理器 选 用 Fes re—  
cl 公 司生 产 的 M 9 0 G 6 。MC S 8 T 0是  ae C S8 T0 90G 6

图 2所 示为家庭 网络 的总体 结构 。其 中家 庭 
网关 是家庭 网络 的核心 , 连 接 家庭 中彼此 孤 立  是

0G 8 X超低 功耗 系列 M 9 C S中 的一 款 , 用 时 将  使 Zg e 全 部 P Y 层 和 MA 层 的 功 能 固化 在 片  i e B H C

分散 的子 网或 网络用具 , 实现 信息 的交 互和共 享 ,   并将 家庭 内网和外 部 网连 接 , 现 内外 网络互 通  实
和鉴权 的设备 。  

上, 协议簇 和应用 固件也 常驻 芯片 闪存 , 整个 模块  紧凑 且 高 效 。 无 线 数 据 传 输 模 块 采 用 Fesae r cl e  
公 司 的 MC 3 9 。它 是一 种 短距 离 、 功 耗 的无  1 12 低 线 收发器 , 作 在 2 4 G zIM 频 段 , 工 .  H  S 共有 1 6个 

通 信信道 , 出功率低 , 片上 R M缓 存 , 输 带 A 提供 3   种 省 电模 式 , 有 4个 内部定 时器 , 提供可 编程  带 还 时钟频 率输 出供 给 MC U。L D用 来 显示 射频 芯  C
片 的工作 状态 , 天线采 用全 向微带贴 片 天线 。  

l卜 C l灭l   II  直因   l PM  l  M —  卜 线 C —I3H US  ! —叫l   —   l 9 2
瓣一网 协 器 缘一仝 能 备 素 能 简 备 络调 ; 功 设 . 一功 精 设  
图 2 家 庭 网络 总体 结 构 

} 
2 2 系统 软件设计 及 实现  . 

一  

图 3 Zg e 件 实 现示 意 图    iBe硬

在实现 家 庭 内部 组 网方 面 , 系统 采 用 Zg 该 i  —
B e无线 通信标 准 。 网关 采 用 G R e P S无 线方 式 连 

系统软 件分 为 3层 : 系统平 台层 、 协议层 和应 

接外部网络。网关全部采用无线通信方式 , 以 可   避免 家庭 布线 的繁 琐 , 便 了 网关 在 家 庭 中 的布  方
置 , 时使 这种 网关 能 够 应用 于 家庭 和车 载移 动  同 系统 。Zg e i e收发器通 过 S I 口和 MC B P接 U连接 ,   可 以将 收发器连 接到空 调 、 衣机 、 或用户 欲监  洗 灯

用层 。系统平 台层通过应用 程序接 口( pla A pc— i 
tnPorm igItfc , P ) 给 协 议 层 提 供  i  rga mn neaeA I 来 o r
服 务 。协议 层 实 现物 理 层 、 链路 层 以及基 于 Zg i  — B e的网络层 协议 。应 用层 通 过 A I e P 来调 用 协议 

层 提供 的服务 , 实现 网络 的管 理 和 数 据传 输 等 任  务 。软件 所要 实现 的功 能包 括 系统 初 始 化 ( 括  包
MC U的初 始 化和 MC 3 9     2的初 始 化 ) 通 信协 议  11 、

视 或控制 的任何 设备 的传感器 上 。这 些贴 有标签  的设 备作 为无 线 网络 中 的节 点 , 与连 接 在 网路 协 
调 器一 中心节 点进行 通信 。 网络 协调器通 过 以  卜的


栈、 系统 应用 程序等 。  

2【 一   1

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低压 电器 (o 8 4  2 0 №1 ) 现代建筑 电气篇 

2 2 1 系统 主程序 设计  . .  图 4和 图 5所示 分 别为家 庭 网关 和节点 模块 
的程序 流程 图 。  
系统初始化  作为协调器节点 
初 始 化 网 络  信息( 深度 、 规模)  

2 2 2 中断和初 始化程 序设 计  . .  图 6和 图 7所 示 分 别 为 MC 3 9 1 12中 断处 理 
过程 与 MC U初 始化过 程 的流程 图 。  

2 2 3 信 息处理 程序设 计  ..

信 息处理 过程 是在 传感 器节 点 的硬件 检测 电  路检 测 到其所 在 环 境 发生 变 化 时 , 由传 感 器节 点  中 Zg e 模 块对 信 息简单 处 理后 , i e B 主动 发 起 连接  将 处 理后 的信 息传送 给 家庭 网关 。 图 8 示 为通  所 信 流 程 图。  
上 电 

定时发送 信标帧 

等 待 中 断 信 息 

来 自网 络  据 信 息 中断 ?  


箱 
l   进行整理  把信息发送给  G S 块 进 行远   PR 模 程发 送  

进 入 复位 矢 量 

处理    管中 魏辈息一 断r
产 生 应答 信 息给   网络中的节点 ,  

★  N / / \ \  I 自 网 络  来

系统 寄存器设置 

据信息中断   哆
\ /  

P L初 始 化  L

/ / \\ 

i  N

来自底层 盯   硬件中断? , 一 


l 生应答信 息给  产 N  l 网络中的节点 

看 门 狗 初 始 化 





 

‘ Y 

清除B S S 数据段 

处理硬件信息 中断 
丢 弃  应 答 信息 完 成  堆栈初始化  拷 贝Fah 据   ls数

图 4 家 庭 网 关 流 程 图 
终端节点初始化 

MC 初始化结束  U

图 6 MC 3 9   1 12中 断 
发现网络操作 

图 7 MC   U初始 
化 过 程 

处 理 过 程 
孤 立节点 

加入网络2 >—  主   等待中断信息 

来 自网络  \

,  

改据中断! /
\  

 

咎翟  嚣誊
中断 l  

是来 自网络   中管理信 息  
\冲 断?   /

发 送 读/ 表  写 命 令  重 新 发 送  命令  /   令应! \   采 取 一  定 的 路  由 算 法  转发该  信 息 

产 生血 答  信息给 网   络 中 的  节点 

\盛功? \ /  
I  Y 处理硬件信息 中断  ( 如 : 自 串 口巾 断 ) 例 来  
相 应应 答 的 应  答信息给 网络 

应 答 信 息 完 成 

丢 弃 

图 8 系统通 信流程图 

图 5 节点模块程序流程 图 

( 下转 第 2 5页)  


21 一  

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低压 电器 (0 8 o 4  20N1 )
现代 建筑 电气 篇 

环, 大大 提 高 了系统 的工作 可靠 性 。  
第一小节开始 

4 结  语   
播 放第二段语 音 

二二[

 
N 

经过 不 断 的调试 、 改 , 于 PT / L 修 基 S N P MN网  的 家用 电器远 程 遥 控 系统 最 终 全 部 通 过 , 功实  成 现 了系统 最 初 的设 计 目标 。经 测 试 , 电 检测 电  来 路 、T D MF解 码 电路工 作正 常 , 音 交互 平 台实现  语
N 

接收数据/ 命令 

T 

上 Y 

真人 发音 , 电器 设 备控 制 无 误 。在 安 装 时 不需 要  对 室 内电线 作 任何 改 动 , 不 需 要 另外 布线 。可  也

+  Y

通 过 增加 分机 来增 加控 制 的容 量 , 扩展 非常方 便 、  
图 9 根 层 程 序 流 程 图 

易行 。该 系统很 适合 家庭 、 司 、 店和 宾馆 等 由  公 商

据处 理子 程序等 几个模 块构 成 。   平 时无 来 电信 号 , 统 进入 低 功耗 状 态 。 当  系 有 来 电信号 时 , 即进入 记数 中 断 , 系统 自动 退 出低 

个 人通 信终 端来 实现 控制 的场 合 。  

【 考 文 献】 参  
[ ] 马家辰 , 玉德 , 1 孙 张颖.MC S一5 1单 片机 原理 与接  口技 术 [ . 尔 滨 :哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社 , M] 哈  
2 001  .

功耗状态。每来一个周期信号, 即进入一次记数 
中断 。记数 中断 的任务 是完 成对 来 电响铃 信号 的  记 数 , 次记 数 中断返 回后 , 每 主程 序都 要再作 一 次  判断 , 到一定数 值后 便 自动模 拟摘 机 。   语音 交互 平 台 由很 多 分 层 组 成 , 个层 都 有  每
两个 对接 收 到 的数 据/ 令进 行 判 断 的过 程 。若  命

[ ] 王 淑珍 . 2  基于 PC单片机 的电话遥 控系统 [ ] 洛 阳  I J.
工业高等专科学校学报 ,0 3 1 ( )2 —1 2 0 ,3 1 :02 .  

[ ] 王永红 , 3  张丽丽 , 戴学 丰 , 基于 A M微 处理器的  等. R
语音报警系统设计与实现 []齐齐 哈尔大学学报 : J.  

接收到的数据/ 命令无效 , 提示输入有错 , 则 需重  新输入 ; 若收到返回上一层命令 , 则程序 自 动返回  
到上 一层 操作 。  

自然科学版 ,0 7 2 ( )8 —1 2 0 ,3 1 :99 .  

[ ] Mi1 e ok  o oao . T 80   a setE / 4  t   t rsC r rtn M 8 7 D D t he[ B   eN w p i a
O ] t :/ w . 1cer .o . L .h p/ w w 2 isac cr  t h n

[ ] 安 阳市新世纪 电子研 究所 有 限公 司. 0 P射频 无  5  F5 线发射 模 块 [ B O ] [0 70 - ] ht:/ w . E / L . 20 - 0 . t / w w  57 p
axjcr  ys.o . n

系统软件设计时采用指令冗余和程序拦截原  理将已跑飞的程序引入正轨或使其跳转到指定位 
置进行 出错 处 理 。利 用 A 8 S 1单 片 机 的 软 件  T95 “ 门狗 ” 源 , 程序 动 态 运行 时 通 过不 断 检 测  看 资 在 程 序 循 环 运 行 时 间 , 判 断 系统 是 否 进 入 死 循  来 ( 上接 第 2 1页)  

[ ] 安阳市新世纪 电子研 究 所有 限公 司.0 V射频 无  6  J4
线 接收 模块 [ B O . 20 - -7 . t :/ w . E / L] [ 07 5 ] ht / w w  00 p
ax j cr. y s.o   n
收 稿 日期 :2 0 0 03 0 8-3-  

3 结  

语 

Sm l wok [ B O ] t :/ w z b eog ipy rs E / L .ht / w w.i e.r.   p g  

[ ] 马晋兴 , 永卫 , 2  乔 刘智荣 . 基于 Zg e 技 术的无线家  i e B
庭控制 [ ] J .智能建筑 ,0 4 1 )4 —2  20 ( 1 :75 . [ ] 张维勇 , 3  冯琳 , 魏振春. i e Zg e实现 家庭 组 网技术 的  B 研究 [ ] 合肥工业大学学报 ,0 5 7 :5 —5 . J. 20 ( ) 7579  [ ] 蒋挺 , 成 林. i e 4 赵 Zg e紫 蜂 技 术 及 其 应 用 (E E B IE   8 2 1. ) M]北京 : 0 .5 4 [ . 北京邮 电大学出版社 ,0 6 20 .   [ ] Fesa   o .Fesa  Smi nu t  D t h e   5 recl C r recl e c d c r aa et e p e o o s — MC 5 1  o Fr Mi oot l rG] F 2 3C l i   c cnr l [ . d e r oe   [ ] Fesa   o .Fesa  S mcnu t  D t he  6  recl C r recl e i d c r a set e p e o o a —
MC 3 9 / 1 1 2 MC1 1 3 2 4 GHz L w  o r T a s ev r 39 . .    o P we  rn c ie 

本 文根据 Zg e 术 的基 本 特 征 和 现 代 智  i e技 B 能家 居控 制 系统 的要 求 , 出 了 Zg e 议各 层  提 i e协 B 的设 计方 案 , 出 了基 于 Zg e 技 术 的智 能家 居  给 iB e 控制 系统 的总体 构架 以及 软硬件 实 现方案 。该 系 

统能够满足现代家庭组 网的基本要求 , 具有成本  低、 功耗低 、 能效 高等 优点 。  

【 考 文 献】 参  
[ ] K N E   .Zg e eh o g— rl sC n o T a 1  IN YP i eT cn l yWi e   ot l ht B o es r   

frh E E 82 1. tnad G] o teIE  0 .5 4sadr [ .    
收 稿 日期 :2 0 -8 2   0 7 —2 0


25 —  


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