译文出处：Liu, Zhen-ya. Hardware Design of Smart Home System based on zigBee Wireless Sensor Network[J]. AASRI Procedia, 2014, 8:75-81.

本文中，智能家居系统的设计基于ZigBee技术和GSM / GPRS网络，智能家居系统的硬件电路采用CC2430 ZigBee无线传感器网络，能够实时采集温度、湿度、三表、红外线、烟雾、气体、火灾、盗窃报警、家电电器如家庭环境等的参数。通过多个监控设备的无线网络，家用电器在家居环境中的远程控制与图像远程监控系统相结合，形成了一种新型的智络，家用电器在家络，家用电器在家能家居系统，为智能家居环境提供了一种可行的方络，家用电器在家络，家用电器在家络，家用电器在家络，家用电器在家络，家用电器在

基于zigBee无线传感器网络的智能家居系统硬件设计

摘要：本文中，智能家居系统的设计基于ZigBee技术和GSM / GPRS网络，智能家居系统的硬件电路采用CC2430 ZigBee无线传感器网络，能够实时采集温度、湿度、三表、红外线、烟雾、气体、火灾、盗窃报警、家电电器如家庭环境等的参数。通过多个监控设备的无线网络，家用电器在家居环境中的远程控制与图像远程监控系统相结合，形成了一种新型的智能家居系统，为智能家居环境提供了一种可行的方法。

1、前言

智能家居正朝着无线遥控、多媒体控制、高速数据传输等方向发展，其关键技术为家庭控制器和满足信息传输需求的家庭网络兼容问题。目前，输电网络采用集成布线技术，限制了系统的应用所带来的较高成本。采用无线方式构建灵活便捷的智能家居安全监控系统成为当前研究的热点。

2、设计方案

2.1 基于ZigBee的智能家居系统编程模型

基于ZigBee技术的智能家居系统设计采用ZigBee星形配置。ZigBee协调器(包括功能齐全的ZigBee设备)是整个通信程序的核心，多个ZigBee终端设备作为周围的节点，形成一个星形网络。本程序结合远程控制，由ZigBee协调器、ZigBee端设备(受控对象，如:燃气水位、烟气、温度、燃气、火灾、盗窃报警等电器)、因特网、远程计算机等部分组成。ZigBee协调器负责整个系统核心之间的ZigBee端和外部网络通信。ZigBee端设备负责数据采集和各种数据传输。该程序根据程序的组成可分为两个模块：第一家庭ZigBee协调模块；两个ZigBee端模块。前者又分为核心控制模块来协调服务器端无线收发模块、网络接收模块和GPRS模块；后者又分为终端收发模块和数据采集与控制模块。图1中的模型。智能家居ZigBee协调模块ARM微处理器核心。通信协调器结束无线收发模块和终端模块。GPRS移动通信通过互联网与远程计算机通信。

采集和各种数据传输。该程序根据程序的组成可分为两个模块：第一家庭ZigBee协调模块；两个ZigBee端模块。前者又分为核心控制模块来协调服务器端无线收发模块、网络接收模块和GPRS模块；后者又分为终端收发模块和数据采集与控制模块。图1中的模型。智能家

各模块的功能和相互之间的通信，通过手机或互联网上的远程计算机进行远程监控。

基于ZigBee技术的智能家居系统设计采用ZigBee星形配置。ZigBee协调器(包括功能齐全的ZigBee设备)是整个通信程序的核心，多个ZigBee终端设备作为周围的节点，形成一个星形网络。本程序结合远程控制，由ZigBee协调器、ZigBee端设备(受控对象，如:燃气水位、烟气、温度、燃气、火灾、盗窃报警等电器)、因特网、远程计算机等部分组成。ZigBee协调器负责整个系统核心之间的ZigBee端和外部网络通信。ZigBee端设备负责数据采集和各种数据传输。该程序根据程序的组成可分为两个模块：第一家庭ZigBee协调模块；两个ZigBee端模块。前者又分为核心控制模块来协调服务器端无线收发模块、网络接收模块和GPRS模块；后者又分为终端收发模块和数据采集与控制模块。图1中的模型。智能家居ZigBee协调模块ARM微处理器核心。通信协调器结束无线收发模块和终端模块。GPRS移动通信通过互联网与远程计算机通信。

图1 基于ZigBee的智能家居系统程序模型

2.2 ZigBee协调器结构模型

ZigBee协调器开发平台是基于ARM920T核心S3C2410X微处理器。整个通信程序的核心是无线收发模块与CC2430的协调器，是一对多通信的短距离。CC2430固化了ZigBee协议栈的底层(PHY层和MAC层)，只需用简单的外围设备就可以构成收发模块的一个协调器，采用GPRS实现远程数据传输。这是一个可选的GPRS微处理器MC35i和外围电路。

微处理器和以太网控制器芯片(CS8900A)与辅助电路的网络接口功能协调配合，ZigBee协调客户端与ZigBee端S3C2410X微处理器之间的通信、GPRS和手机通信、因特网与远程计算机之间的通信。协调S3C2410X微处理器为核心结构模型，如图2所示。

ZigBee协调器开发平台是基于ARM920T核心S3C2410X微处理器。整个通信程序的核心是无线收发模块与CC2430的协调器，是一对多通信的短距离。CC2430固化了ZigBee协议栈的底层(PHY层和MAC层)，只需用简单的外围设备就可以构成收发模块的一个协调器，采用GPRS实现远程数据传输。这是一个可选的GPRS微处理器MC35i和外围电路。路想

微处理器和以太网控制器芯片(CS8900A)与辅助电路的网络接口功能协调配合，ZigBee协调客户端与ZigBee端S3C2410X微处理器之间的通信、GPRS和手机通信、因特网与远程计算机之间的通信。协调S3C2410X微处理器为核心结构模型，如图2所示。点多都说多岁的

图2 ZigBee 协调结构模型

其中电源电路的结构模型、系统时钟电路、系统复位电路、Flash / SDRAM存储接口电路是S3C2410X微处理器运行的基本电路。JTAG接口、以太网接口、串口和无线收发模块(CC2430及其外围电路组成)为接口电路的协调功能。JTAG标准主要用于芯片内部测试和系统仿真、调试。标准JTAG接口有四行，这种联系很简单。MAX232和RS232串口函数用于协调与GPRS设备之间的数据传输。GPRS使用市场上现有的产品，应用程序带有一些小的修改，因此GPRS自动发送和接收数据。无线收发模块主要用于ZigBee星网的建立和初始化，以及多个ZigBee端设备之间的数据收发。

2.3 自动摄影机

摄像机的串口使用经过优化的串口通信协议支持子传输，使主机可以配置到更小的缓存，同时提供平静的RS232级输出TTL。通过串口通信在主机之间传输指令和数据，主机可以设置波特率、图像分辨率、发送方式等状态参数。

2.4 短信模块设计

短信模块内置短信协议，是集短信、彩信、GSM / GPRS于一体的模块。它采用AT命令模块控制，通过RS232接口进行控制命令和数据传输。其内部集成了600kb的闪存空间，可供多人上传图片发送彩信。

本系统采用CC2430芯片ZigBee无线通信模块，CC2430集成ZigBee射频(RF)前端、存储器和单片机，CC2430集成符合IEEE802154标准。4GHz射频收发器支持数字RSSI / LQI, CSMA / CA有强大的DMA能力，电池监控和温度传感能力，同时具备强大和灵活的开发工具。基本电路如图3所示。电容c1、C2连接图3中32 mhz晶体振荡器电路，该石英晶体在正常工作时间使用。电容C3,、C4连接32.768千赫的晶体振荡电路，休眠工作使用此石英晶体从而降低功耗。C5用于消除杂波，防止单片机复位错误。采用C6 ~ C8作为滤波器，消除杂波，使电压更加稳定。电路非均衡变压器电容和电感L1, L2, L3,和C9以及PCB微波传输线,整个结构以满足射频输入，(C10，C11，C L2，C13、C14Omega;/输出匹配电阻)50对电源去耦电容滤波来提高芯片的工作稳定性。R1的R2是偏置电阻，R1为32 MHz晶体振荡器设定的精确偏置电流。CC2430芯片具有低功耗特点，选用两台800毫安电池供电的节点机。天线选择外部天线。

晶体在正常工作时间使用。电容C3,、C4连接32.768千赫的晶体振荡电路，休眠工作使用此石英晶体从而降低功耗。C5用于消除杂波，防止单片机复位错误。采用C6 ~ C8作为滤波器，消除杂波，使电压更加稳定。电路非均衡变压器电容和电感L1, L2, L3,和C9以及PCB微波传输线,整个结构以满足射频输入，(C10，C11，C L2，C13、C14Omega;/输出匹配电阻)50对

本系统采用CC2430芯片ZigBee无线通信模块，CC2430集成ZigBee射频(RF)前端、存储器和单片机，CC2430集成符合IEEE802154标准。4GHz射频收发器支持数字RSSI / LQI, CSMA / CA有强大的DMA能力，电池监控和温度传感能力，同时具备强大和灵活的开发工具。基本电路如图3所示。电容c1、C2连接图3中32 mhz晶体振荡器电路，该石英晶体在正常工作时间使用。电容C3,、C4连接32.768千赫的晶体振荡电路，休眠工作使用此石英晶体从而降低功耗。C5用于消除杂波，防止单片机复位错误。采用C6 ~ C8作为滤波器，消除杂波，使电压更加稳定。电路非均衡变压器电容和电感L1, L2, L3,和C9以及PCB微波传输线,整个结构以满足射频输入，(C10，C11，C L2，C13、C14Omega;/输出匹配电阻)50对电源去耦电容滤波来提高芯片的工作稳定性。R1的R2是偏置电阻，R1为32 MHz晶体振荡器设定的精确偏置电流。CC2430芯片具有低功耗特点，选用两台800毫安电池供电的节点机。天线选择外部天线。CC2430芯片具有低功耗特点，选用两台800毫安电池供电的节点机

图3 CC2430的基本电路

CC2430与温湿度传感器SHT11、光敏传感器PGM5506、红外传感器BS520连接示意图如图4所示，其中P0.0、P0.1、P0.6、P1.2、P1.3为CC2430 I / O端口。SHT11使用二线串行线和处理器的数据通信和同步SCK数据线通信处理机和SHT11三态门的数据是用于读取数据，为了避免信号冲突，微处理器应该驱动数据低水平，需要一个外部上拉电阻信号高，图4中的CC2430为P1.2使用的SCK P1.3用于数据。光传感器PGM5506实际是一个光敏电阻，随着周围环境中光量的变化而改变电阻的值，从而影响3v的输入电压随着光量的变化而变化，从而改变输出电压。感知到的光量可以改变电压量，在确定输出电压值时将灯熄灭。如图4所示，将CC2430引脚P0.0接出灯。红外传感器BS520，随着红外输出强度A / D的变化，CC2430处理器根据输入电流的变化来确定红外值。图4红外adc下的CC2430引脚P0.1连接。

（a）温度/湿度 （b）光照 （c）红外线

图4 三传感器连接示意图

3、异常状态检测

该系统可以模拟外界入侵、火灾和其他室内异常的自动判断方式。其智能化主要体现在：系统软件对环境的状态进行自主学习，使其能够适应环境中的背景变化、临界状态，从而能够自动启动状态跟踪和监控，准确判断多幅图像的结果。基于运动阈值绑定实验的背景减法和帧间差分法。目标检测过程包括：图像预处理、量化函数、运动检测（或小目标运动跟踪检测）、异常情况的识别和处理。

当系统接收到新的图像时，首先向相机发送预处理和噪声去除，得到能够量化物体或异常区域运动的二值图像，然后对异常状态进行分析判断。系统采用两种异常量化函数：基于全球位图处理和随机测试、处理，然后，根据异常量化函数指针指向一个特定的后续操作，进入报警异常处理程序，然后发送一个警报信号发送MMS消息并存储当前视频，进入关键的异常跟踪，开始关键的异常跟踪计划，否则背景替换的判断和等待下一个监控图像。传输距离80米内没有障碍，数据的传输丢包率小于1%的足以满足通信需求的正常的家庭环境，接收功率很低，非常适合家庭使用无线个域网模块之间的通信率为0%包丢失的时候，传输距离30米，通过两堵水墙的损失只有1%，通过堵水墙完全能够满足系统设计的要求。

4、结论

本文设计了基于ZigBee技术和GSM / GPRS网络的智能家居系统，系统功能、硬件设计、ZigBee技术在系统中的应用分析。ZigBee技术将应用于智能家居，实现快速、低成本、低功耗的无线网络通信。这样一个智能家居系统硬件电路，采用CC2430 ZigBee无线传感器网络，在家中实时采集环境温度、湿度、三表、红外线、烟雾、气体的参数，火灾、盗窃报警、家电电器的家庭环境，通过结合传统传感器报警系统和图像监控系统，形成一种新型的智能家居系统。用户可以通过手机或PC接收彩信，根据需要远程设置电话，以实现灵活、方便的家庭安全监控。实现多台无线联网的监控设备、家电的远程控制，为智能家居远程监控提供了一种切实可行的方法。

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资料编号：[717]