基于ZigBee技术的智能家居实训设计

范小娇 马亚红 邢卓 师韵

摘 要：为了推进物联网工程专业实践教学建设，该文开发了基于ZigBee无线通信技术的智能家居实训方案。该方案以物联网工程实训平台为基础，以ZigBee网络为载体，以家居环境监测、家电智能控制和安防预警为目标，将无线通信、单片机、智能控制等知识进行有机结合，使学生通过典型案例，掌握智能家居网络构建的基本技能和应用。实践教学研究证明，该实训方案具有很大程度的可拓展性，为学生的进一步创新提供了一个开放的实验平台。

关键词：智能家居;ZigBee;无线通信;单片机;综合布线技术;Keil 4.0

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-0-03

0 引 言

自“智慧地球”提出以来，物联网的概念在全球范围内迅速被认可，并成为新一轮科技革命与产业变革的核心驱动力，更成为了我国的五大新兴战略性产业之一[1]。因此，对于物联网工程专业的学生而言，掌握物联网技术的应用是对现代应用型本科高校学生的重要技能要求。

智能家居（Smart Home，Home Automation）是以住宅为平台[2]，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。可以看出，智能家居系统是物联网技术在日常家居环境中的应用，开发智能家居实训平台能够满足学生对物联网工程综合训练的需要，便于学生将理论与实践相结合，提高学生的物联网工程综合应用技能[3-7]。

智能家居网络从结构上来看，包括感知层、网络层、应用层[8-9]，是由嵌入了电子元件、传感器以及软件的物理对象组成的网络。由于应用型本科高校侧重于培养一线应用型技术人才，故智能家居实训方案应当侧重于感知层与网络层的构建与应用。目前全国有30多个高等院校相继开设了物联网工程专业及智能家居的相关课程，同时着力进行专业课程建设。但是对于不少高校而言，由于实训设备的缺乏与不配套，使课程教学中偏重理论教学，而实践教学不足，学生缺乏对物联网整体系统的理解和对数据的采集、传输、处理等过程的直接感受，很难达到预期的教学效果。研究表明，只有通过与理论教学配套设计的实训课程训练，才能使学生更容易和有效地掌握物联网及其相关技术的知识要点。目前创新型应用人才培养得到极大的重视，相关教学研究得到了推

广[10-13]，为加强物联网工程专业实践教学的建设，本文基于物联网工程实训平台，开发了基于ZigBee技术的智能家居网络实训方案，在完成实训内容的基础上，学生可以进一步进行创新设计。

1 实训系统的组成

在智能家居系统中，已经普遍地将无线网络技术应用于家庭网络，不仅设计中流动性、灵活性高，更节约了综合布線的成本，非常贴合家庭网络的通信特点。在当前众多的无线通信技术中，ZigBee技术具有低功耗、低成本、可靠性高、延时短、网络安全性高和网络容量大等优点，可工作在

2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，最高传输速率分别为250 Kbps，

20 Kbps和40 Kbps，传输距离在10～100 m。可适用于智能交通、智能家居、遥感勘测等领域。针对智能家居中网络的需求可以看出，ZigBee技术非常适合于智能家居网络的构建。事实上，市场上多个智能家居产品中都广泛地应用了ZigBee技术，例如北京博力恒昌科技有限公司、南京物联传感技术有限公司、西安紫光物联技术有限公司等。目前，国内可以购买到不同国家生产的多种ZigBee开发模块，实训方案中选择的是美国德州仪器TI公司CC2530芯片，其包括一个高性能的RF收发器，并集成了一个8051微处理器以及其他强大的支持功能和外设。适用于实训实验的开发。ZigBee模块如图1所示。

智能家居实训平台由环境感知节点、被控节点、安防报警节点和控制中心四部分组成。其中，感知节点包括：温湿度感知节点、光照度感知节点、甲醛感知节点和CO2感知节点;被控节点包括：照明节点、电源控制节点、直流电机节点和交流电机节点;安防报警节点部分包括：天然气检测节点、人体红外检测节点和紧急报警节点。智能家居实训平台系统如图2所示。

2 实训方案设计

在智能家居结构中，感知部分包括传感器、处理器等，用于实现对家居环境数据的检测。网络层包括多个路由器节点和一个协调器节点，用来实现数据的传输;被控设备包括直流电机、交流电机、照明灯等部分，用来模拟空调、电扇、窗帘等设备;综合控制中心和协调器节点相连，实现对家居环境和设备数据的监控。实训方案包括建立ZigBee网络：由协调器发起，多个环境采集量节点和控制节点作为路由器节点加入构成的网络;实现智能控制：根据对应环境采集量的结果，实现对被控设备智能控制的功能;实现安防报警：根据对应环境采集量，进行家居环境预警，实现家居中环境采集节点的信息采集、控制设备和预警设备节点状态的组网、无线信号传输和智能控制，是建立智能家居网络的基本技能。

2.1 ZigBee组网

本次实验目的是把环境量采集节点、控制节点等设备和协调器设备组网，形成一个ZigBee通信网络。要实现平台上各个模块之间或者模块和控制中心之间的通信，多个ZigBee模块组网要求如下：各个模块的信道号、网络号必须相同，且在一个ZigBee网络中，允许有且只能有一个协调器，其余节点均为路由器或终端设备。所使用的硬件设备包括：一个或者多个环境采集节点模块、一个协调器节点模块、ZigBee模块的连接线和PC机的连接线。软件包括ZigBee配置模块软件、ZigBee模块开发软件和串口调试工具等。ZigBee组网示意图如图3所示。

（1）建立ZigBee无线网络协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End-Device）的物理连接。

（2）建立ZigBee无线网络拓扑结构。要求建立一个星状拓扑结构网络：首先，给协调器上电后，设定其通信信道和PAN-ID建立无线网络，达到启动网络的效果;然后，各个环境采集量节点和被控设备等节点等作为终端设备加入该无线网络。

（3）无线数据传输。加入网络的路由器节点向协调器发送地址信息、网络信息和数据信息，协调器节点通过轮询的方式接收路由器发送的信息，并将这些信息发送到上位机（PC机）上。

实训内容及现象：将协调器和计算机通过USB线连接起来，打开协调器的电源开关，利用ZigBee配置模块软件，设置为协调器节点并设定PAN-ID号和信号通道号，重启模块后，查看配置完成;依次将路由器模块通过USB线和计算机连接起来，配置节点为路由器（Router），并配置其PAN-ID号和信号通道号与协调器的一致，完成路由器节点的配置。启动Keil 4.0软件编写环境采集节点程序并编译成可执行文件，通过JLink端口将程序烧录至对应的STM32控制器。最后，配置完成后，把协调器节点连接到PC机上，通过串口查看各个环境采集节点的数据。

在实训平台上配置被控设备，如照明灯、直流电机、交流电机等，采用类似方法可以使之作为终端节点加入到已经建立的ZigBee网络中，并可以通过与协调器连接的PC机串口，查看设备的运行状态。

2.2 智能控制

图4为家居设备智能控制图。要实现家用设备的智能控制，以光照度控制照明灯为例，其工作原理为：当室内光照度值高于预设的高阈值时，自动关闭照明灯;当室内光照度值低于预设的低阈值时，自动打开照明灯。实验目的是实现对照明灯的智能控制，达到智能化、绿色节能的效果。

所使用的硬件设备有光照度节点、协调器节点和PC机及照明节点。软件包括ZigBee配置模块软件、ZigBee模块开发软件和串口调试工具等。

以光照度控制照明为例，实验步骤如下：

（1）完成所涉及的光照度采集节点、照明节点和协调器节点的ZigBee组网;

（2）在照明节点，编写程序实现对节点网络地址的读取、获取和广播;

（3）在光照度节点，编写程序实现对广播的照明节点地址的获取，并设定高低阈值，实现智能控制。

实训内容及现象：利用ZigBee配置模块软件，按照实验的步骤和方法，完成照明节点、光照度节点和协调器的组网;启动Keil 4.0软件编写照明节点的网络地址读取、获得和广播程序，并编译成可执行文件，通过JLink 端口烧录至照明节点的STM32控制器;同样地，使用Keil 4.0软件编写对广播的照明节点的地址的获取和完成光照度高低阈值的设定程序，并编译成可执行文件，通过JLink 端口烧录至光照度节点的STM32控制器;通过遮蔽物和手电筒，分别使光照度传感器采集到的信息低于和高于设定阈值，验证观察照明灯的工作状态。要求达到：当光照度高于设定的高阈值时，自动关闭照明灯;当室内光照度低于设定的低阈值时，自动打开照明灯。

智能控制是在实现ZigBee组网的基础上开发的实验，基于相同的原理，可以开发如下实训：温湿度传感器节点智能控制直流电机（模拟空调和风扇）实验、光照度控制电源继电器（模拟窗帘）和甲醛传感节点智能控制交流电机（模拟空气净化器）。

2.3 智能家居的安防报警

图5为家居安防报警图。家居的安防报警是智能家居的必要组成部分，以天然气预警为例，其工作原理为：在安防节点检测到异常信息时，发出声光报警，并向协调器节点报告信息内容，由协调器节点再通过WiFi，Enternet或者4G网络向用户、物业管理部门发送报警信息。

所使用的硬件设备有安防节点、协调器节点和上位机。软件包括ZigBee配置模块软件、ZigBee模块开发软件和串口调试工具等。

以天然气报警为例，实验步骤如下：

（1）完成所涉及的安防报警节点和协调器节点的ZigBee组网;

（2）在安防报警节点，编写程序实现对天然气探测器信息的读取、报警等程序的编写;

（3）在协调器节点，编写安防信息接收程序;

（4）上位机通过WiFi，Ethernet 或者4G网络向用户、物业管理部门发送报警信息（该步骤在本次实训中不作要求）。

实训内容及现象：利用ZigBee配置模块软件，按照实验的步骤和方法，完成安防报警节点和协调器的组网;启动Keil软件编写对天然气探测器信息的读取、报警等程序，并编译成可执行文件，通过JLink 端口烧录至天然气报警节点的STM32控制器;把协调器节点连接到PC机上，通过串口查看各个天然气报警节点数据，通过给予天然气检测器触发信号（利用打火机等方法），观察声光报警和串口接收到的报警信息的变化。要求达到：当天然气检测器检测到信号时，PC端接收到预警信息，并且声光报警启动;在未收到信息时，PC端无报警信息，且声光报警器不启动。

安防报警是在实现ZigBee组网的基础上开发的实验，基于相同的原理，可以开发如下实训：

（1）利用緊急报警开关和ZigBee组网，开发在家中出现突发事件时，向既定用户、相关部门报警;

（2）利用门磁、窗磁、人体红外传感模块和ZigBee组网，开发对家居门窗安全的报警机制。

3 结 语

根据智能家居发展的需求，本文开发基于ZigBee技术的实训方案，以家居环境监测、家电智能控制和安防预警为目标，将无线通信、单片机、智能控制等有机结合，使学生通过典型案例的实验，掌握智能家居网络构建的基本技能和应用。该实训利用现有的物联网实训设备开展实践教学，因而实验更具有拓展性，为学生的创新设计提供了一个开放的实验平台。

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