1 智能家居系统概述
智能家居是以住宅为平台，利用网络通信技术、短距离无线通信技术、传感器技术和自动控制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。
1.1 智能家居系统结构
智能家居系统结构分为服务器和客户端、无线传感网监控装置两部分，监控终端采集数据通过无线网络发送到协调器，协调器通过串口通信与服务器互相传输数据，手机客服端可以实时查看服务器的数据，系统框图如图1所示。
图1 智能家居系统框图
本文主要介绍无线传感网监控装置的设计，利用ZigBee技术组建无线传感网，监控终端由温湿度监测、光照强度监测、烟雾浓度和水灾监测、入室盗窃监测和家电控制电路组成。
2 硬件设计
本系统硬件主要由Zigbee模块电路、供电模块、串口通信模块、显示模块、按键模块、控制模块和监测模块组成。
2.1 ZigBee无线传感网节点
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图2 ZigBee协调器节点框图
ZigBee芯片采用CC2530，该芯片支持ZigBee07、ZigBeePRO协议栈，具有低功耗，低成本，拥有256KB的Flash，能更好的开发功能。ZigBee无线传感网节点包括协调器节点、终端节点，终端节点具有家电控制和监测功能其结构如图3所示。
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图3 ZigBee终端节点框图
（1）供电模块采用4节1.5V电池和5V电源适配器来供电，ZigBee芯片供电电压为3.3V，所以采用稳压芯片LM1117-3.3V。
（2）串口通信模块使用USB转接口芯片CH340，CH340是全速USB设备接口。
（3）控制模块中警报电路主要由LED灯和蜂鸣器组成，家电控制模块主要通过继电器开关实现不同的功能。
（4）监测模块采用的传感器：温度监测采用DS18B20，湿度监测采用DHT11，光照监测采用数字芯片BH1750，烟雾监测采用MQ-2，防盗采用HC-SR501。
3 软件设计
本系统软件设计的目的是：实现监控终端各自准确完成监控工作，同时实现无线传感网的组建，以及协调器与各终端的通信和协调器与服务器的通信设计。
3.1 智能家居无线传感网的设计
利用ZigBee技术组建无线传感网，实现终端与协调器的通信。在系统采用TI公司提供的ZStack-CC2530-2.5.1a协议栈，基于CC2530，完整支持ZigBee2007，ZigBeePro，在IAR 8.10A软件开发平台编写应用层程序。
本系统采用点播和广播两种网络通讯方式，智能家居监测终端通过点播通讯方式发送到协调器，同时让协调器和智能控制终端在一个组内，协调器通过广播通信方式发送信息到节点，控制终端接收相应的控制信号，实现对家电的控制和报警，监测终端接收到报警信号，相应节点发出报警声。
协调器的主要功能是协调建立网络，其他功能包括：提供绑定和地址表服务，路径动态修复功能，为睡眠子节点缓存数据包，是整个网络的信任中心，接收路由器和终端节点的数据，发送数据到监控节点，与服务器的信息通信。协调器需要始终打开接收机，需要持续供电。协调器节点流程图如图4所示。
终端节点主要用来监测家居的温湿度、烟雾和光照强度参数，以及实时监测水灾和防盗情况，同时通过点播发送时刻监测的数据和网络地址给协调器，接收协调器发来的警报信号和家电控制信号。终端节点流程图如图5所示。
3.2 协调器与服务器串口通信软件设计
协调器与服务器互换信息是通过串口通信完成的，协调器传输各节点的监控信息到服务器，服务器发送控制信息到协调器，为了提高通信传输的效率和安全性，保证数据的完整传输，定义发送数据到服务器的格式是：帧头+18个字节数据+帧尾，如表1所示。接收数据的格式是：帧头+17个字节数据，如表2所示。
表1 发送数据格式
| 数据包 | 帧头 | 门 | 灯 | 防盗 | 水灾 | 温度 | 湿度 | 烟雾 | 光照 | 帧尾 |
| 长度/字节 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 5 | 1 |
| 默认值 | * | 0 | 0 | 0 | 0 | 111 | 222 | 333 | 44444 | n |
表2 接收数据格式
| 数据包 | 帧头 | 门控 | 灯控 | 温度阈值 | 湿度阈值 | 烟雾阈值 | 光照阈值 |
| 长度/字节 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 5 |
| 默认值 | * | 0 | 0 | 110 | 220 | 330 | 44440 |
发送和接收帧头固定是“*”，接着是智能家居监测的数据，按表1顺序发送，服务器按照发送格式的顺序处理数据并显示，协调器接收到数据按表2的顺序进行相关处理，有效的完成了协调器与服务器串口通信的设计。
4 结论
本系统主要技术是用ZigBee技术组建无线传感网，传感器的相关设计，实现智能家居的监控。监测节点采集家居的温湿度、光照强度、烟雾水灾情况，根据监测到的数据进行对比分析而进一步对家电进行控制和是否警报。该系统易于增加终端节点，可随时根据家居情况增加监控节点，从而更好实现智能家居的监控。整个系统具有一定的实用性，接近现实生活。
参考文献
[1]卢子青，高庆云．基于ZigBee通信的智能家居控制系统[J]．学园，2013，（23）.
[2]王东美．基于物联网的智能家居系统设计[D]．沈阳：沈阳工业大学，2017.
[3]赵勇．基于ARM和ZigBee的智能家居远程监控系统设计[J]．测控技术，2012，31（11）.
[4]张晓娜．基于ZigBee技术的无线温度传感器网络节点的设计[D]．西安：西安电子科技大学，2011.
（作者骆春潮系桂林电子科技大学助教）
