基于Zigbee的智能家居控制系统研究

基于Zigbee的智能家居控制系统研究

张瑞

安徽理工大学电气与信息工程学院张瑞

摘要：本文主要研究并设计了一种基于无线传感网络的智能家居控制系统，利用Zigbee技术构建一个智能化的现代家居环境，通过设计的一套功能完善的Zigbee网络拓扑结构和高效的设备节点控制电路将家居环境中诸多电器和传感设备进行统一地管理。

系统中融入了语音控制技术，对于人们的日常家居生活尤其是残障人士提供了极大的便利。

关键字：Zigbee；智能家居；语音控制引言随着现代科技的不断发展及人们生活水平的不断提高，人们对室内居住环境的舒适及方便也有了越来越高的要求，智能家居系统将各类家居设备信息化，利用现代技术强大的信息处理能力实现了对家居设备的智能化控制，同时结合了人体工程学原理，为用户提供了一个舒适方便安全的日常家居生活环境。

本文在现有的智能家居系统基础之上增加了语音控制系统，用户可以直接通过语音控制灯光、空调、电视、门窗等各类家居设备，极大的方便了日常生活，使现代家居系统更显智能化。

1系统概述本文设计的智能家居语音控制系统采用新型的Zigbee无线传感网络技术作为通信方式，各家居设备节点通过Zigbee无线传感网络连接至网络协调器，协调器通过串口通信的方式与嵌入式主控芯片相连，利用嵌入式系统强大的运算处理能力将用户发出的各种语音指令进行识别处理后再通过Zigbee无线网络传送至各家居设备节点。系统框图如下：

2硬件设计

如图1系统框图所示本文的设计主要由两部分组成：嵌入式系统（包括语音识别系统）和Zigbee无线传感网络系统。嵌入式系统用于对语音信号进行识别、处理同时对由Zigbee无线传感网络中协调器经过串口通信送来的各家居设备节点信息进行综合分析，并根据用户语音信号的处理结果向Zigbee无线传感网络发送命令。Zigbee无线传感网络系统作为整个智能家居系统的主要通信方式用于将各家居设备节点以及室内各传感器所采集的信息通过无线传输的方式传送至协调器，再由协调器经过串口通信送至嵌入式主控系统，同时将主控系统反馈回来的命令送至各终端。

本文嵌入式系统采用S3C2410嵌入式微处理器为主控芯片，S3C2410是三星公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，其核心板只有一个普通名片的2/3那么大。嵌入式系统不仅有强大的运算处理能力同时具有体积小功耗低、接口扩展方便的特点已经在许多行业有着重要的应用，技术相对来说也比较成熟。

Zigbee又被称为紫峰技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。一般这个协议规定的通信技术是一种传输距离较短且功耗较低的无线通信技术。其主要特点是低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、低数据传输速率。主要适合应用于各类自动控制和远程控制系统，可以嵌入到各种设备中。简而言之，ZigBee技术就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

本文采用的Zigbee技术为CC2530片上系统解决方案，CC2530是由德州仪器开发的一种典型的Zigbee技术解决方案，众所周知，Zigbee无线网络传输技术需要一系列的网络节点作为支撑，本文采用的CC2530能够建立起一个强大的网络节点，但是所需要的成本相对于其他解决方案来说有很大优势，同时CC2530具有一些不同的运行模式，切换不同的运行模式可以有效地降低系统功耗，对整个系统工作的稳定性有着重要意义。

在对各家居设备的控制中，利用CC2530芯片实现与无线网络的通信功能。本文硬件电路设计中利用继电器作为家用电器的工作状态转换的执行器件，将继电器的触点与被控制的家用电器的电源回路串联在一起，通过CC2530芯片的I/O口控制继电器继而控制高压电气电路，完成对各家居设备的控制。

家居设备控制节点原理图如图2所示。

3软件设计

本文软件设计主要包括两个部分其一为嵌入式主控系统部分软件设计，主要功能为识别处理用户发出的语音指令，再通过串口通信方式将指令信息发送至协调器，同时接受并处理由协调器反馈回来的各家居设备的信息。其二是Zigbee无线传感网络软件设计，主要功能是传感器及个家居设备节点数据采集、发送，节点定位及节点自动加入网络并接受来自主控芯片的指令。

嵌入式主控系统部分软件流程如图3所示。程序开始之后首先初始化，检测是否有用户语音指令输入，一旦检测到语音指令则调用语音处理系统进行识别处理，再将处理之后的指令经过Zigbee无线传感网络发送至家居设备节点，同时检测无线网络反馈回来的各家居设备运行情况，一旦出现异常主控系统立即发出指令将异常设备断电并发出警报通知户主及时处理。

语音识别系统采用微软推出的SpeechSDK开发工具。SpeechSDK是微软公司在其应用程序开发接口-TheMicrosoftSpeechAPI基础上开发出的一种语音识别系统开发工具，打入中文补丁之后能有效的识别中文。

Zigbee无线传感网络部分软件流程图如图4所示程序开始之后首先初始化开启定时器中断，中断触发之后各家居设备节点及各室内传感器节点将采集到的数据经A/D转换之后打包并通过Zigbee网络发送至协调器，协调器经串口通信将数据送至嵌入式主控系统，同时Zigbee模块扫描是否接受到主控芯片的命令，一旦检测到就执行相应的命令，如果没有检测到主控芯片的命令则继续循环检测是否触发定时器中断进行下一轮的数据采集。

图4无线网络部分软件流程4总结本文设计的基于Zigbee的智能家居语音控制系统采用ARM技术与Zigbee技术相结合，利用Zigbee网络低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、的特点将各家居设备的信息经过无线通信的方式传送至嵌入式主控系统，利用ARM强大的数据运算处理能力对整个系统进行调节控制。本文特别增加了语音控制功能，为人们日常家居生活带来了极大的方便。

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