摘 要： 設計了一種基于無線傳感網的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感技術將家庭生活中的相關電子設備連接在一起，有效克服了傳統(tǒng)家居控制系統(tǒng)的電纜布線通信方式的諸多缺點。同時，ZigBee無線傳感網相對其他無線傳感技術具備很好的適應性。新型CC2530無線芯片與設計的節(jié)點外圍控制電路可以很好地實現(xiàn)設備節(jié)點間數據的互通互聯(lián)，結合系統(tǒng)中語音控制技術，形成高效的智能化交互控制平臺。
關鍵詞： 智能家居；無線傳感網；CC2530；語音識別
智能家居是利用先進的計算機嵌入式芯片、數據網絡通信技術、通信線路布線技術，并參照人體工程學原理以及充分融合大眾用戶的個性需求，將與日常家庭生活密切相關的電子設備、電器以及其他生活設施緊密地連接在一起，如電視、空調、洗衣機、照明燈具、室內窗簾、家庭環(huán)境傳感器和安防監(jiān)控設備等[1]。通過網絡化綜合智能控制和管理，使得用戶能夠享受現(xiàn)代科技帶來智能化的全新家居生活體驗。
本文基于ZigBee無線通信技術，研究并設計出了一套完整的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中，各種家庭生活設備的電氣和環(huán)境傳感器通過ZigBee無線傳感網進行有效整合，設備控制節(jié)點采用TI公司生產的CC2530芯片。它使用一顆增強型8051內核，用于控制數據處理與轉發(fā)，通信模塊采用了魯棒性很強的射頻天線，具有傳輸距離較遠，傳輸速率穩(wěn)定等特點[2]。整個系統(tǒng)包括控制平臺、無線傳感網協(xié)調器和設備子點。系統(tǒng)的控制命令由控制平臺發(fā)出，通過無線傳感網協(xié)調器發(fā)送給各個子節(jié)點，實現(xiàn)對家用設備的控制。家居環(huán)境中的環(huán)境傳感器（如溫度、人體脈搏）的傳感數據可以由無線傳感網傳輸到控制平臺進行顯示和管理。系統(tǒng)較好地將家居環(huán)境中的各個模塊有機地統(tǒng)一管理。圖1為智能家居系統(tǒng)的功能架構。
1 智能家居系統(tǒng)的無線傳感網絡
本系統(tǒng)ZigBee無線傳感網絡整體結構由主協(xié)調器（主節(jié)點）和若干設備子節(jié)點組成。主節(jié)點用于整個無線傳感網的建構、信息的接收轉發(fā)和路由信息的管理[3]。主節(jié)點和系統(tǒng)控制平臺連接，通過串口通信和PC進行數據交換，實現(xiàn)數據的上傳和控制命令的發(fā)送。子節(jié)點和各家用設備連接在一起，對設備進行管理。
1.1 ZigBee無線傳感技術
ZigBee協(xié)議棧從結構上可分為4層，從下往上依次為：物理層（PHY）、介質控制子層（MAC）、網絡層和應用層[4]。位于最底層的物理層（PHY）和介質控制子層（MAC）由IEEE 802.15.4標準定義[5]；網絡層和應用層的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟組織在IEEE 802.15.4標準基礎上設計制定[6]。ZigBee的傳輸距離通常在10~100 m的范圍內，實際使用中會依據選用通信天線的功率大小和環(huán)境障礙物的情況而不同，最新的CC2530芯片由于性能提高和功率的增強，在無障礙情況下其節(jié)點間的通信距離最高可達1.6 km[7]。ZigBee技術憑借其低功耗、網絡大容量節(jié)點數、適中的通信半徑、適中的數據傳輸速率等顯著特征在智能家居系統(tǒng)的應用中具有無法替代的技術優(yōu)勢。
1.2 網絡拓撲結構設計
ZigBee無線網絡的網絡拓補結構有很多種，主要有星形結構、樹形結構和網狀結構3種[8]?？紤]到無線網絡的拓撲結構會直接影響系統(tǒng)的很多方面，例如無線傳感網的鋪設代價、網絡的運行維護難度、系統(tǒng)運行的傳輸速率以及穩(wěn)定性等，因此，需要根據具體需求來設計網絡的架構。本系統(tǒng)選用樹形結構作為家居設備節(jié)點的網絡架構。
樹形網絡連接方式如圖2所示。樹形結構的網絡連接方式是在星形結構基礎上進一步拓展起來的，樹形結構中設計了轉發(fā)節(jié)點，如圖中灰色節(jié)點所示。主節(jié)點（即中心節(jié)點）和各子節(jié)點間的通信要依靠轉發(fā)節(jié)點的中繼，每個轉發(fā)節(jié)點和它對應葉子節(jié)點構成一個子星形拓撲結構。主節(jié)點向樹葉子節(jié)點的數據均分發(fā)給子星形結構中灰色轉發(fā)節(jié)點。
樹形結構中，轉發(fā)節(jié)點負責數據路由轉發(fā)功能，通常為全功能的網絡協(xié)調器，對設備的配置、功耗等因素要求較高。同時，其他子節(jié)點只需要采用相對簡化的設備配置就可以了，這可以很大程度上減少系統(tǒng)的鋪設成本以及運行功耗，降低維護的難度，提高電源設備的續(xù)航時間等，實際使用中具備很多優(yōu)點。樹形網絡結構可以降低網絡結構復雜度、降低系統(tǒng)功耗，樹形結構同時具備星形結構的諸多特點，可以通過添加子節(jié)點來擴大系統(tǒng)中設備容量，實現(xiàn)方便快捷。
2 智能家居系統(tǒng)硬件結構
智能家居系統(tǒng)中，設備節(jié)點的設計基于無線傳輸模塊，基板選用深圳鼎泰克電子有限公司的一款串口轉ZigBee無線遠距傳輸模塊。該模塊將CC2530芯片和其他外部器件（包括鞭狀天線）集成到一塊小型的PCB板上，使用獨立電源供電。由于ZigBee協(xié)議工作的低功耗特性，普通電池可以維持整個模塊的長時間工作。下面對主節(jié)點和部分子節(jié)點模塊的設計進行介紹。
2.1 系統(tǒng)主節(jié)點模塊
主節(jié)點模塊在系統(tǒng)中承擔協(xié)調器的角色，維護著整體無線傳感網絡的運行，負責網絡的組建、無線路由信息的維護，將收集的數據通過串口發(fā)送至PC控制端，同時將控制端的命令轉發(fā)至各個系統(tǒng)設備子節(jié)點實現(xiàn)對家庭設備的控制管理。主節(jié)點模塊主要包括：CC2530無線傳感芯片、串口通信MAX232芯片、外部硬件電路部分以及供電模塊。MAX232芯片作為信號轉換接口，將CC2530無線傳感芯片的TTL電平數據信號轉換為PC的COM串口通信RS-232數據信號。主節(jié)點模塊的架構設計圖如圖3所示。
CC2530無線傳感芯片的工作電壓為+3.3 V，MAX232芯片的供電為+5 V。節(jié)點模塊的外部供電電源為+9 V電池電源。為了進行電壓轉換，電路設計中使用AMS1117芯片分別對電源電壓進行+5 V和+3.3 V穩(wěn)壓轉換，AMS1117穩(wěn)壓轉換芯片靈敏度高、性能穩(wěn)定，可以確保節(jié)點電路的供電工作穩(wěn)定持續(xù)。添加穩(wěn)壓器可以有效地避免電源不穩(wěn)對電路工作狀態(tài)的影響。圖4為主節(jié)點模塊的電路設計圖。
溫度監(jiān)測子節(jié)點模塊中，兩個主要的工作芯片是CC2530和DS18B20。由于CC2530芯片和DS18B20傳感器工作電壓和供電電源會存在差異，子節(jié)點電路設計中同樣使用穩(wěn)壓芯片ASM1117對供電電源進行穩(wěn)壓轉換，為電路中的芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。
2.3 電器控制節(jié)點模塊
家庭環(huán)境中，大量的家用電器需要人工操作控制，如家電的開關、換擋等基本的操作。傳統(tǒng)生活模式中，這些操作的開關控制器件通常安放在房間的固定位置。實際生活中，由于種種原因，老人、孩子、殘疾人在面對這類家電開關時會遇到種種不便，甚至可能造成一些潛在的安全風險。為了解決這類問題，系統(tǒng)對家庭電器設備的控制統(tǒng)一采用一種新型的便捷控制方式，利用語音識別技術和繼電器來實現(xiàn)對家電的快捷操作，它克服了特殊人群在家居生活中的種種困擾，靈活且高效。
家電控制子節(jié)點中，CC2530芯片會控制I/O輸出命令對家電的高壓點開關進行控制，完成電器的電源開閉。該設計要求子節(jié)點模塊能夠將電路的弱電模塊與電器高壓電路完全隔離開來，以確保家居環(huán)境的人身安全。因此，在家電控制中，如何通過子節(jié)點模塊的弱電電路來安全控制家電強電電路是問題的要點。本系統(tǒng)通過電磁繼電器來解決，將電磁繼電器的觸點和家電強電源連接，通過CC2530輸出命令控制繼電器的觸點閉合來實現(xiàn)對家電電源的安全控制。圖6為電器子節(jié)點電路設計原理圖。
根據圖6所示原理，控制芯片10號引腳設置為信號輸出端，當該引腳設置為高電平時，會使得三極管T1瞬間飽和，進而導通電流，電流流經電阻R2后會拉低T2的基極，這樣三極管T2也會瞬間飽和導通，從而使得電磁繼電器獲得足夠的工作電壓開始工作，電磁繼電器產生的磁力使得家庭電器的220 V電路閉合導通，電器供電開始工作。
3 系統(tǒng)的軟件設計
智能家居系統(tǒng)中軟件部分的開發(fā)主要涉及兩方面，一是無線傳感網節(jié)點模塊的嵌入式控制程序，二是控制平臺軟件。節(jié)點控制程序使用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境進行設計和開發(fā)。系統(tǒng)控制平臺軟件采用微軟公司的Visual C++ 2005開發(fā)平臺進行軟件流程代碼的設計開發(fā)。
3.1 系統(tǒng)控制平臺軟件
系統(tǒng)控制平臺軟件主要用于同無線傳感網通信，收集傳感網中采集的溫度和心電數據，并且將控制命令通過無線傳感網發(fā)送出去，例如控制家電開關。系統(tǒng)控制平臺軟件主要部分為串口通信模塊，串口模塊連接傳感網的主節(jié)點，主節(jié)點接收到子節(jié)點的轉發(fā)數據后會通過串口通信將數據轉發(fā)至PC，供家庭成員查看。家庭成員可以通過語音命令向控制平臺發(fā)送命令，命令通過串口發(fā)送到主節(jié)點再轉發(fā)至目標子節(jié)點，控制相關電器操作。圖7為系統(tǒng)控制平臺軟件的結構流程圖。
系統(tǒng)在控制平臺軟件中增加了語音識別模塊，用于控制命令的發(fā)送。語音識別模塊可以將操縱者的語音控制命令轉化為系統(tǒng)可識別的指令，轉發(fā)至系統(tǒng)中家電設備的子節(jié)點，進而可以控制家用電器的開關動作。語音識別模塊使用微軟開發(fā)的語音開發(fā)包Microsoft Speech SDK5.1作為語音基礎庫。Microsoft Speech SDK5.1中提供了一系列語音識別函數接口SAPI，系統(tǒng)直接調用這些接口函數進行語音識別流程的建立。
3.2 節(jié)點嵌入式程序
本系統(tǒng)ZigBee無線傳感網的正常運行，要求在CC2530的嵌入式程序中必須植入ZigBee無線網絡協(xié)議。在IAR開發(fā)環(huán)境中添加ZigBee協(xié)議棧的源程序，編譯后的可執(zhí)行文件中即可支持無線傳感功能。系統(tǒng)使用精簡的ZigBee協(xié)議棧作為節(jié)點路由協(xié)議的基礎。系統(tǒng)中設備節(jié)點嵌入式程序運行在CC2530無線傳感芯片上，IEW開發(fā)環(huán)境可以針對CC2530進行程序平臺搭建，包括無線通信網絡協(xié)議棧的建立、芯片寄存器的相關設置、操作函數接口的預留等。節(jié)點中的嵌入式程序只需要完成網絡組建、溫度心電等參數的采集、數據預處理、數據轉發(fā)、家電開關命令的發(fā)送以及與控制平臺的串口通信等。
系統(tǒng)交叉編譯完成之后，通過仿真器將可執(zhí)行文件燒寫到對應節(jié)點模塊的CC2530芯片中，包括主節(jié)點、路由器和子節(jié)點等。系統(tǒng)所有設備上電復位后，由主節(jié)點負責與子節(jié)點進行校對應答，建立起整個無線網絡的架構，維護相關的連接信息，以及與PC控制平臺進行串口通信等。主節(jié)點建立網絡的工作流程為：首先調用系統(tǒng)初始化函數aplFormNetwork（）格式化新的網絡空間，并等待格式化工作的完成，緊接著主節(jié)點會監(jiān)聽子節(jié)點發(fā)出的加入網絡的信號，依次將通信范圍內的子節(jié)點加入無線網絡中，完成路由表的維護，網絡建立就完成了。
本文設計的智能家居系統(tǒng)充分融合了目前市場上成熟可靠的CC2530無線芯片和高性能的溫度傳感芯片，設計了性能完善的心電信號采集模塊，將語音識別技術加入控制平臺中，最后形成一套新型智能家居系統(tǒng)方案。家居環(huán)境中該系統(tǒng)可以給人們生活帶來極大的便利。
參考文獻
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