基于Zigbee的智能家居系统

只看该作者 · 2020-2-2 08:52

目的
1）做一个智能家居系统，有底层的Zigbee组网和相关传感器，实现数据采集和传输；使用树莓派作为网关，通过TCP通讯方式和手机APP相互信息交流。手机APP中可以看到不同位置实时的温度、湿度、光敏值、家电的状况等等。手机端记录的信息，会上传到服务器，用于数据分析，让用户有更好的生活质量。

2）针对树莓派应用方面，结合TCP通讯、Zigbee组网、Android应用开发、Bmob云数据库、传感器技术，实现一个基于树莓派的智能家居系统。

3）Android手机应用程序会用到数据库编程、网络编程、界面编程等等。

4）熟悉树莓派的基本概念、基础知识和基本应用。

5）培养程序设计能力，增强项目实践经验。

主要内容
1.在树莓派上，烧写操作系统，搭建python开发环境，安装相关的库；然后，编写程序，来实现一个网关功能。树莓派与手机端通TCP的方式来通讯；树莓怕做为服务器，接收协调器（Zigbee网络）的数据，传输到手机端。

2. 使用4个Zigbee CC2530设备，构建一个局域网，在用户家中；其中，有一个协调器，三个终端节点。终端节点分别布置在：房间、厨房、客厅中。协调器构建好这个局域网，让3个终端节点加入；然后收集3个终端节点的传感数据。终端节点可以通过与其相连的温湿度传感器、光敏传感器等来采集温度、湿度、光敏值的数据；终端节点还连接着继电器，用来控制灯、和家电。

3. 开发手机APP,手机端的功能有：能实时显示家中不同的位置的温度、湿度、光敏值的数据；能控制灯、家电；能查看历史数据；能用户登陆、注册；接收用户体验的反馈信息

4. 注册Bmo云数据库，建立一个应用，获取到使用应用密钥，建立相关的数据表格。其中，表格包括温湿度表、光敏数据表、控制记录表、用户注册表、用户登陆表、用户体验反馈表等等；建立表格，为后面存储数据做准备。

只看该作者 · 2020-2-2 08:52

摘要
本系统使用Zigbee CC2530设备构建一个局域网，来作为底层通信；这个局域网由1个协调器、3个终端节点组成；终端节点会采集温湿度传感器、光敏传感器的数据，然后传输到协调器；终端节点上连接着继电器，可以控制不同位置的灯和家电。树莓派作为一个网关，通过串口与协调器连接，并相互数据传输。树莓派与手机端通过TCP方式通信，其做为服务器，手机端做为客户端；树莓派会把温度、湿度、光敏值等数据发送到手机端；手机向树莓派发送指定的指令，可以控制不同位置的灯、家电。手机端可以实时查看家中的温度、湿度、光敏值等数据，同时手机端也会把这些实时数据上传到Bmob云数据库中，通过智能家居数据分析，用户可以更好的查看历史数据，知道家里的情况；并结合建议，进行优化家里的状况；提高用户的生活质量，感受智能家居的美好。

关键词： Zigbee组网、树莓派、TCP通信、Bmob云数据库、手机APP 、继电器、温湿度传感器、光敏传感器

只看该作者 · 2020-2-2 09:12

二、设计正文
系统总体设计
本系统采用Zigbee组网技术、结合温湿度传感器、光敏传感器、人体红外感应传感器、继电器设备等，来采集相关数据，实现智能控制。通过Zigbee协议栈技术来构建协调器、终端节点1（放置在客厅）、终端节点2（放置在厨房）、终端节点3（放置在卧室）组成的局域网。

Zigbee协调器和树莓派是通过串口来传输数据的。树莓派把收集到的温度、湿度、光敏值等数据，传输到手机APP端，可以实时数据显示。

系统框图：

图2 系统框图

手机端在接收相关数据信息的同时，也会把相关的数据信息上传到Bmob云数据库中。然后，用户可以用手机APP查看历史数据，这里会结合相关智能家居分析模型，帮助用户了解家里的情况，知道那些可以优化的，然后协助用户去优化家里的环境。

只看该作者 · 2020-2-2 09:12

手机APP程序流程图：

图3 手机APP程序流程图

只看该作者 · 2020-2-2 09:13

终端节点设计：

图3 终端节点设计图

只看该作者 · 2020-2-2 09:13

三、详细设计
1）传感层

传感层包括温湿度传感器、光敏传感器、人体红外传感器。

1.温湿度传感器（DHT11模块）

温湿度传感器是传感器其中的一种而已，是把空气中的温湿度通过一定检测装置，测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，从而采集到温度、湿度的数据。光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

DHT11通信时序：

电路图：

实物图：

只看该作者 · 2020-2-2 09:17

2.光敏传感器

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，从而采集到家里的光敏数据。

光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变；DO输出端可以直接驱动本店继电器模块，由此可以组成一个光控开关。

电路图：

实物图：

只看该作者 · 2020-2-2 09:18

3人体红外传感器（HC-SR501模块）

3.1  人体红外传感器，人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

3.2  热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。

3.3  触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为H。
A. 不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。 B. 重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。

3.4可调封锁时间及检测距离调节：

1、调节检测距离
2、封锁时间：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(默认封锁时间2.5S)

注：

1、调节距离电位器顺时针旋转，感应距离增大（约 7 米），反之，感应距离减小（约 3 米）。

2、调节延时电位器顺时针旋转，感应延时加长（约300S），反之，感应延时减短（约 0.5S）。

3.5光敏控制：

模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。

3.6模块优缺点：

优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。

缺点：精度一般，感应距离近。

人体红外传感器（HC-SR501模块）硬件电路图：

人体红外传感器（HC-SR501模块）实物图：

只看该作者 · 2020-2-2 09:19

2）网络层（Zigbee组网数据传输）
1）Zigbee组网优势

ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。 ZigBee联盟还开发了安全层。

简单概括：

几种无线通信技术参数对比：

相比之下采用Zigbee技术来传输数据，是比较好的。

①低功耗                ②低成本
③ 低速率                ④近距离
⑤短时延                ⑥高容量
⑦高安全                ⑧免执照频段

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2）本项目通过Zstack协议栈把4个Zigbee cc2530设备进行组网。

Zstack组建的网络类型：网状网（mesh网）

本项目由一个协调器，和3个终端节点组成的网络。

其中协调器与终端节点之间，采用广播的方式来无线网络中数据通信：

广播：

只看该作者 · 2020-2-2 09:20

3）Zigbee cc2530硬件电路

cc2530核心板电路图：

cc2530 GPIO电路图：

cc2530 供电板电路图：

cc2530底板电路图：

总体概况：CC2530 是集成了8051内核的mcu和2.4G的无线射频模块，该芯片具有21个IO引脚，P0、P1、P2；一般来说P2口的P2.2和P2.1加上芯片上的VDD、GND、RESET_N五个引脚作为下载调试接口用，P0口集成有AD输入功能。该芯片有两个外接晶振，一个32.726Khz;一个32Mhz，32Mhz的晶振主要是2.4G无线收发模块使用，布线是尽量靠近其引脚，周围敷铜会减少晶振高频信号对其他信号的音响，特别是RESET_N管脚的走线要稍微原理晶振走线。RF_P、RF_N是无线发送接收引脚，其出来的电路是巴比伦电路，PCB布线是两线尽量粗（减少阻抗衰减）、对称，两边最好有完整的地线覆盖，布线处理不好会影响CC2530的收发距离。