摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感技術(shù)將家庭生活中的相關(guān)電子設(shè)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(diǎn)。同時(shí)，ZigBee無線傳感網(wǎng)相對(duì)其他無線傳感技術(shù)具備很好的適應(yīng)性。新型CC2530無線芯片與設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)外圍控制電路可以很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)，結(jié)合系統(tǒng)中語音控制技術(shù)，形成高效的智能化交互控制平臺(tái)。
關(guān)鍵詞： 智能家居；無線傳感網(wǎng)；CC2530；語音識(shí)別

　智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)嵌入式芯片、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、通信線路布線技術(shù)，并參照人體工程學(xué)原理以及充分融合大眾用戶的個(gè)性需求，將與日常家庭生活密切相關(guān)的電子設(shè)備、電器以及其他生活設(shè)施緊密地連接在一起，如電視、空調(diào)、洗衣機(jī)、照明燈具、室內(nèi)窗簾、家庭環(huán)境傳感器和安防監(jiān)控設(shè)備等[1]。通過網(wǎng)絡(luò)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(yàn)。
　本文基于ZigBee無線通信技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)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(shè)備的電氣和環(huán)境傳感器通過ZigBee無線傳感網(wǎng)進(jìn)行有效整合，設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。它使用一顆增強(qiáng)型8051內(nèi)核，用于控制數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)，通信模塊采用了魯棒性很強(qiáng)的射頻天線，具有傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速率穩(wěn)定等特點(diǎn)[2]。整個(gè)系統(tǒng)包括控制平臺(tái)、無線傳感網(wǎng)協(xié)調(diào)器和設(shè)備子點(diǎn)。系統(tǒng)的控制命令由控制平臺(tái)發(fā)出，通過無線傳感網(wǎng)協(xié)調(diào)器發(fā)送給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用設(shè)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(shù)據(jù)可以由無線傳感網(wǎng)傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)進(jìn)行顯示和管理。系統(tǒng)較好地將家居環(huán)境中的各個(gè)模塊有機(jī)地統(tǒng)一管理。圖1為智能家居系統(tǒng)的功能架構(gòu)。

1 智能家居系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)
　本系統(tǒng)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)由主協(xié)調(diào)器（主節(jié)點(diǎn)）和若干設(shè)備子節(jié)點(diǎn)組成。主節(jié)點(diǎn)用于整個(gè)無線傳感網(wǎng)的建構(gòu)、信息的接收轉(zhuǎn)發(fā)和路由信息的管理[3]。主節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)控制平臺(tái)連接，通過串口通信和PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的發(fā)送。子節(jié)點(diǎn)和各家用設(shè)備連接在一起，對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。
1.1 ZigBee無線傳感技術(shù)
　ZigBee協(xié)議棧從結(jié)構(gòu)上可分為4層，從下往上依次為：物理層（PHY）、介質(zhì)控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]。位于最底層的物理層（PHY）和介質(zhì)控制子層（MAC）由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義[5]；網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟組織在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制定[6]。ZigBee的傳輸距離通常在10~100 m的范圍內(nèi)，實(shí)際使用中會(huì)依據(jù)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(qiáng)，在無障礙情況下其節(jié)點(diǎn)間的通信距離最高可達(dá)1.6 km[7]。ZigBee技術(shù)憑借其低功耗、網(wǎng)絡(luò)大容量節(jié)點(diǎn)數(shù)、適中的通信半徑、適中的數(shù)據(jù)傳輸速率等顯著特征在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用中具有無法替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)有很多種，主要有星形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)3種[8]?？紤]到無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)直接影響系統(tǒng)的很多方面，例如無線傳感網(wǎng)的鋪設(shè)代價(jià)、網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)難度、系統(tǒng)運(yùn)行的傳輸速率以及穩(wěn)定性等，因此，需要根據(jù)具體需求來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。本系統(tǒng)選用樹形結(jié)構(gòu)作為家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
　樹形網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖2所示。樹形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接方式是在星形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展起來的，樹形結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如圖中灰色節(jié)點(diǎn)所示。主節(jié)點(diǎn)（即中心節(jié)點(diǎn)）和各子節(jié)點(diǎn)間的通信要依靠轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的中繼，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和它對(duì)應(yīng)葉子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)向樹葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均分發(fā)給子星形結(jié)構(gòu)中灰色轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

　樹形結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，通常為全功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，對(duì)設(shè)備的配置、功耗等因素要求較高。同時(shí)，其他子節(jié)點(diǎn)只需要采用相對(duì)簡(jiǎn)化的設(shè)備配置就可以了，這可以很大程度上減少系統(tǒng)的鋪設(shè)成本以及運(yùn)行功耗，降低維護(hù)的難度，提高電源設(shè)備的續(xù)航時(shí)間等，實(shí)際使用中具備很多優(yōu)點(diǎn)。樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、降低系統(tǒng)功耗，樹形結(jié)構(gòu)同時(shí)具備星形結(jié)構(gòu)的諸多特點(diǎn)，可以通過添加子節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大系統(tǒng)中設(shè)備容量，實(shí)現(xiàn)方便快捷。
2 智能家居系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　智能家居系統(tǒng)中，設(shè)備節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)ZigBee無線遠(yuǎn)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(dú)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(gè)模塊的長(zhǎng)時(shí)間工作。下面對(duì)主節(jié)點(diǎn)和部分子節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
2.1 系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)模塊
　主節(jié)點(diǎn)模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)協(xié)調(diào)器的角色，維護(hù)著整體無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、無線路由信息的維護(hù)，將收集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC控制端，同時(shí)將控制端的命令轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的控制管理。主節(jié)點(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換接口，將CC2530無線傳感芯片的TTL電平數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為PC的COM串口通信RS-232數(shù)據(jù)信號(hào)。主節(jié)點(diǎn)模塊的架構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)模塊的外部供電電源為+9 V電池電源。為了進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)中使用AMS1117芯片分別對(duì)電源電壓進(jìn)行+5 V和+3.3 V穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，AMS1117穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片靈敏度高、性能穩(wěn)定，可以確保節(jié)點(diǎn)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(duì)電路工作狀態(tài)的影響。圖4為主節(jié)點(diǎn)模塊的電路設(shè)計(jì)圖。

　溫度監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)模塊中，兩個(gè)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(huì)存在差異，子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)中同樣使用穩(wěn)壓芯片ASM1117對(duì)供電電源進(jìn)行穩(wěn)壓轉(zhuǎn)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(diǎn)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(guān)、換擋等基本的操作。傳統(tǒng)生活模式中，這些操作的開關(guān)控制器件通常安放在房間的固定位置。實(shí)際生活中，由于種種原因，老人、孩子、殘疾人在面對(duì)這類家電開關(guān)時(shí)會(huì)遇到種種不便，甚至可能造成一些潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這類問題，系統(tǒng)對(duì)家庭電器設(shè)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(shí)別技術(shù)和繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)中，CC2530芯片會(huì)控制I/O輸出命令對(duì)家電的高壓點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行控制，完成電器的電源開閉。該設(shè)計(jì)要求子節(jié)點(diǎn)模塊能夠?qū)㈦娐返娜蹼娔K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(diǎn)模塊的弱電電路來安全控制家電強(qiáng)電電路是問題的要點(diǎn)。本系統(tǒng)通過電磁繼電器來解決，將電磁繼電器的觸點(diǎn)和家電強(qiáng)電源連接，通過CC2530輸出命令控制繼電器的觸點(diǎn)閉合來實(shí)現(xiàn)對(duì)家電電源的安全控制。圖6為電器子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)原理圖。
　根據(jù)圖6所示原理，控制芯片10號(hào)引腳設(shè)置為信號(hào)輸出端，當(dāng)該引腳設(shè)置為高電平時(shí)，會(huì)使得三極管T1瞬間飽和，進(jìn)而導(dǎo)通電流，電流流經(jīng)電阻R2后會(huì)拉低T2的基極，這樣三極管T2也會(huì)瞬間飽和導(dǎo)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(chǎn)生的磁力使得家庭電器的220 V電路閉合導(dǎo)通，電器供電開始工作。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　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(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊的嵌入式控制程序，二是控制平臺(tái)軟件。節(jié)點(diǎn)控制程序使用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。系統(tǒng)控制平臺(tái)軟件采用微軟公司的Visual C++ 2005開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件流程代碼的設(shè)計(jì)開發(fā)。
3.1 系統(tǒng)控制平臺(tái)軟件
　系統(tǒng)控制平臺(tái)軟件主要用于同無線傳感網(wǎng)通信，收集傳感網(wǎng)中采集的溫度和心電數(shù)據(jù)，并且將控制命令通過無線傳感網(wǎng)發(fā)送出去，例如控制家電開關(guān)。系統(tǒng)控制平臺(tái)軟件主要部分為串口通信模塊，串口模塊連接傳感網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)接收到子節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后會(huì)通過串口通信將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tái)發(fā)送命令，命令通過串口發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)子節(jié)點(diǎn)，控制相關(guān)電器操作。圖7為系統(tǒng)控制平臺(tái)軟件的結(jié)構(gòu)流程圖。

　系統(tǒng)在控制平臺(tái)軟件中增加了語音識(shí)別模塊，用于控制命令的發(fā)送。語音識(shí)別模塊可以將操縱者的語音控制命令轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識(shí)別的指令，轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)中家電設(shè)備的子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而可以控制家用電器的開關(guān)動(dòng)作。語音識(shí)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(chǔ)庫(kù)。Microsoft Speech SDK5.1中提供了一系列語音識(shí)別函數(shù)接口SAPI，系統(tǒng)直接調(diào)用這些接口函數(shù)進(jìn)行語音識(shí)別流程的建立。
3.2 節(jié)點(diǎn)嵌入式程序
　本系統(tǒng)ZigBee無線傳感網(wǎng)的正常運(yùn)行，要求在CC2530的嵌入式程序中必須植入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)的ZigBee協(xié)議棧作為節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議的基礎(chǔ)。系統(tǒng)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)嵌入式程序運(yùn)行在CC2530無線傳感芯片上，IEW開發(fā)環(huán)境可以針對(duì)CC2530進(jìn)行程序平臺(tái)搭建，包括無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的建立、芯片寄存器的相關(guān)設(shè)置、操作函數(shù)接口的預(yù)留等。節(jié)點(diǎn)中的嵌入式程序只需要完成網(wǎng)絡(luò)組建、溫度心電等參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、家電開關(guān)命令的發(fā)送以及與控制平臺(tái)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(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)模塊的CC2530芯片中，包括主節(jié)點(diǎn)、路由器和子節(jié)點(diǎn)等。系統(tǒng)所有設(shè)備上電復(fù)位后，由主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校對(duì)應(yīng)答，建立起整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，維護(hù)相關(guān)的連接信息，以及與PC控制平臺(tái)進(jìn)行串口通信等。主節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)的工作流程為：首先調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)aplFormNetwork（）格式化新的網(wǎng)絡(luò)空間，并等待格式化工作的完成，緊接著主節(jié)點(diǎn)會(huì)監(jiān)聽子節(jié)點(diǎn)發(fā)出的加入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，依次將通信范圍內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)中，完成路由表的維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)建立就完成了。
　本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)充分融合了目前市場(chǎng)上成熟可靠的CC2530無線芯片和高性能的溫度傳感芯片，設(shè)計(jì)了性能完善的心電信號(hào)采集模塊，將語音識(shí)別技術(shù)加入控制平臺(tái)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。
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