【摘 要】物联网技术迅速发展，智能家居作为其重要应用部分成为新兴研究领域。本文提出了一种智能家居实训方案，该方案采用CC2530芯片、无线通信技术及传感器组建ZigBee家庭内部局域网，外部接入因特网。覆盖物联网三层结构。使用LED灯成功测试实训平台对灯光控制功能，实验表明有进一步研究智能家居实训平台的价值。
【关键词】物联网；智能家居；ZigBee；CC2530
Smart Home Practice Training Based on Internet of Things
ZHU Kai JIANG Wei LIU Tong
（School of Mechanical Electronic & Information Engineering China University of Mining & Technology， Beijing 100083，China）
【Abstract】With the rapid development of the internet of things， the smart home has become the emerging research field which plays an important role in the internet of thins. Smart home practice training scheme is put forward. Interior home network is formed by CC2530， wireless communication technology and sensor， including three layers. Exterior network is connected to the internet. The lamp control test is performed by LED and the result confirmed that the smart home practice training scheme has an important value for further study.
【Key words】Internet of things；Smart home；ZigBee；CC2530
0 引言
随着社会的发展，人们对家庭生活、学习、娱乐提出了更高的品质要求。例如，亲人对独生子女的看护，主人对家用电器进行实时远程控制，在主人进门之前，室内已经具有宜人温度。在主人启动汽车之前，车内有合适温度，有按照主人出行计划设计好的行车路线。这些需求是物联网应用中最贴近民生的智能家居方面。
高校已陆续设立物联网专业，要把学生培养成适应社会需求的人才需要学生掌握物联网综合技术。智能家居实训平台是物联网典型开放型应用环境之一，学生可在此平台上实现对物联网综合技术的理解，亦可借助此平台进行创新应用。
智能家居系统传输数据量小，在红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi等无线通信技术中，ZigBee技术以其有低功耗、低成本、低延时等优势而成为智能家居系统选用的主要组网技术。
1 系统组成原理
系统采用开放的无线传感平台，集合无线通信技术、网络技术、计算机技术等将传感器采集到的环境与设备信息接入互联网。学生借助此平台可以搭建标准的智能家居系统，亦可借助平台开放的接口实现控制程序的编写。系统终端由上位机Web界面显示各种设备的信息读取与控制，终端界面包括信息存储、查询、增删，信息手机查看等模块。开发平台为基于Goldfish内核的Android 2.3，主要有上位机的软件开发、手机端的软件开发，其次还有传感器节点的程序开发。提供触摸式应用，覆盖物联网感知层、网络层、应用层三层结构。环境感知设备包括Wi-Fi摄像头、DS18B20温度传感器、湿度传感器及光敏传感器等，控制对象包括51英寸等离子电视机、空调、窗帘及灯光等。（如下图所示）灯光控制包括控制电灯的开关、明暗度，多种灯光情景控制模式：如全开全关模式、家庭影院模式、会客模式、聚餐模式、夜间模式、起早模式。电视机、空调不仅要控制开关，还要控制音量。窗帘只控制开关。控制方式有联动控制和定时控制两种，控制途径有触摸屏、网页、遥控器等。
摄像头由云台控制：内置RS485控制，水平360度，垂直180度；网络接口：RJ-45，10/100Mb自适以太网接口；无线：Wi-Fi，802.11B/G；支持IP地址：静态IP地址、动态IP地址、PPPOE拨号，支持P2P技术。（如下图1）
网络层采用短距离、低功耗无线ZigBee技术。ZigBee工作于免申请的2.4GHz频段，使用无线通信技术可以免除布线和设备移动的弊端。ZigBee网络中节点有3种角色：终端节点、路由器、协调器，系统中用到路由器和协调器两种角色。终端ZigBee无线节点采用TI公司生产的真正片上系统解决方案CC2530芯片，使用MSP430仿真器完成程序的烧录。CC2530芯片具有高性能和低功耗的8051微控制器核；8-KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；极高的接收灵敏度和抗干扰性能；可编程的输出功率高达4.5dBm；只需一个晶振，即可满足网状网络系统的需要；在供电模式1时仅24mA的流耗4μs就能唤醒系统；在睡眠定时器运行时仅1μA的流耗；在供电模式3时仅0.4μA的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；较宽的电压范围（2.0-3.6V）；支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的5通道DMA；具有捕获功能的32kHz睡眠定时器；具有电视监视器和温度传感器；具有8路输出和可以配置分辨率的12位ADC；集成了AES安全协处理器；带有2个支持多种串行通信协议的强大USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC定时器，1个16位定时器和1个8位定时器；强大和灵活的开发工具。
图1 智能家居系统
2 网络实现
智能家居可以实现室内家用电器间及室内物体间信息交互，数据量小，数据传输距离多数在20m以内，终端节点数目有限。据此可选用ZigBee网络中星形网络结构，基于Z-Stack协议栈。协调器与PC机之间通过RS-232串口连接。协调器负责创建网络，网络创建完成后处于等待终端节点请求加入状态。终端节点上电后，首先进行初始化，通过原语机制，依次由应用层、网络层和MAC层完成网络寻找，最后由网络层向应用层反馈组网结果。网络通信采用固定帧格式实现，数据帧定义设备类型、设备属性、设备ID、校验类型等信息。网络可分为连接家用电器的内部网络和外部因特网。
实际操作中用LED灯代替照明灯，由上位机依据帧格式向协调器发送指令，结果表明协调器可以依据指令在规定时间内完成灯的亮灭。由此推测，系统可以完成对其他家居设备的远程控制，温湿度等的控制需要进一步验证。
3 主要实验
智能家居实训平台综合多种物联网关键技术，使学生在了解、熟悉、学习的基础上，能够运用几种技术做出创新性设计。智能家居实训平台可以完成的实验主要有：建立实验环境IAR、LED跑马灯实验、定时器实验、串口通讯实验、A/D实验、中断实验、温湿度传感器实验、光电传感器实验、压力传感器实验、简单无线收发实验、广播通讯实验、Z-Stack点对点通讯实验、Z-Stack星状网通讯实验、Z-Stack树状网通讯实验、红外传感器实验、继电器控制实验、直流电机控制实验、步进电机控制实验、窗帘远程控制实验、灯光远程控制实验、电视远程控制实验、摄像头远程控制实验、空调远程控制实验。
4 结束语
本文以CC2530芯片等为硬件基础，ZigBee为无线通信技术，覆盖物联网的三层结构，设计了智能家居实训方案，列举方案中可完成的主要实验，对实训平台进行简单测试。智能家居是物联网一个重要应用，前景广阔。目前，物联网仅为高端别墅和私人豪宅拥有，普通百姓仍没有条件享受，这是智能家居推广过程中亟待解决的问题之一。
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[责任编辑：王静]
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