基于ZigBee和STM32的智能家居系统的研究

王明沂 李丹丹 徐唱 江雨舟 冯志



基于ZigBee和STM32的智能家居系统的研究

王明沂 李丹丹 徐唱 江雨舟 冯志

重庆邮电大学，重庆 400065

针对智能家居系统的功能要求，设计了融合ZigBee和GPRS通信技术的家电控制和数据采集系统。讨论了以STM32为核心的硬件平台，以嵌有ZigBee无线通信技术和GPRS无线通信模的智能家居系统的设计与实现；重点介绍了ZigBee如何实现串口通信和无线传感器网络通信，以及STM32和GPRS的无线通信。

智能家居系统；ZigBee；GPRS；无线通信；STM32

随着移动互联网、物联网的发展和电子信息技术的全面普及，家庭信息化、家电网络化成为当今智能家居系统发展的新趋势。早期的智能家居系统采用有线传输采集数据，而现在随着互联网无线技术的发展，在智能家居系统中呈现出无线的趋势。本文设计了zigbee无线传输技术采集数据和GPRS无线通讯技术的智能家居系统，满足了效率高、灵活性的要求[1]。

1 ZigBee无线传感器网络的设计与实现

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议。基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHZ、915MHz和2.4GHZ，最大数据传输速率250kbps[2]。

传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点，通信效率高。ZigBee技术的出现为无线传感器网络的发展提供了契机[3]。

1.2 ZigBee网络结构

1.2.1 ZigBee网络节点类型

网络中的节点按通信能力可分为两种全功能设备和精简功能设备。实际上，从节点的功能角度出发，标准规定了三种类型的网络节点协调器、路由器、终端节点[4]。

1.2.2 ZigBee网络拓扑结构

网络可以实现三种拓扑结构，即星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。网络的拓扑结构是由网络层实现的，应用层不作参与[5]。

1.3 ZigBee协议栈架构简介

ZigBee协议栈构建在IEEE802.15.4标准基础之上，IEEE802.15.4标准定义了MaC和PHY层的协议标准。协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准。ZigBee2007规范定义了ZigBee和ZigBee Pro两个基本特性集[6]。

本文以ZigBee2007协议为基础，结合智造者科技有限公司的CC2530-EB ZigBee 多功能开发系统，构建了一个无线传感器网络[7]。

1.4 ZigBee协议栈中串口应用

本文用协调器建立ZigBee无线网络，终端节点自动加入该网络中，然后终端节点周期性地采集温度数据并将其发送给协调器，协调器收到温度数据后，通过串口将其输出到STM32单片机[8]。

1.5 ZigBee无线传感器网络管理

用协调器周期性以广播的形式向终端节点发送数据，每隔5s广播一次，终端节点收到数据后，使开发板上的LED状态翻转（如果LED原来亮，则熄灭LED；如果LED原来指示是灭的，则点亮LED），同时向协调器发送“Light Off”字符串，协调器收到终端节点发回的数据，通过串口输到扩展在STM32上的显示屏中[9]。

2 STM32和GPRS的无线通信

2.1 微控制器模块

STM32是一款基于CORTEX-M3内核、高性能、低成本、低功耗的微控制器。它的时钟频率达到72MHz，能实现高端运算。内嵌128KBFLASH程序存储器。丰富的外设，UART、SPI等串行接口以及最大翻转率18MHz的GPIO。所以使用STM32作为核心控制器是一个非常不错的选择。

STM32FIO3RBT6采用LQFP64封装，GPIO中PAO，PA1，PA2，PA3分别接到SIM900GPRS模块的7，8，9，10引脚，作为GPRS通讯引脚使用，串口1（PA8，PA9）与数据采集模块连接，STM32的PA5连接SIM900的引脚1，利用电平的高低变化控制SIM900模块的开关。

2.2 GPRS模块

SIM900是SIMCom推出的一款新型无线模块，它属于四频GSM/GPRS模块。完全采用SMT封装形式，同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。此模块性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足使用者的要求。其采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，支持标准的支持标准的AT命令，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。

2.3 通信原理

SIM900和STM32之间的数据通信主要是通过端口RXD与UART2_TXD，TXD与UART2_RXD之间的数据传输来完成。STM32处理器发送AT指令，控制GPRS模块，完成系统的启动，初始化串口。在GPRS通讯过程中，需要使用到一些重要的参数，主要的配置项有设置接入网关、设置移动终端类别、激活GPRS。建立连接STM32利用AT指令控制GPRSModem连接服务器，连接成功后即可进行数据的透明传输。

3 结语

本文对无线智能家居系统内部组网进行了深入的讨论，主要探讨基于zigbee个GPRS的无线通讯技术在智能家居系统中的应用，提出了一套高效、简单的方案。但是由于知识有限，还有相当的问题没有得到解决，希望以后可以更加完善、实用。

[1]姜浩.基于ZigBee无线网状网络在智能家居领域的实现[D].大连：大连理工大学，2010.

[2]何朝.基于ZigBee技术的智能家居数据采集控制系统[D].太原：太原理工大学，2011.

[3]秦茂盛.基于ZigBee的智能家居系统设计[D].太原：太原理工大学，2011.

[4]邹丽.基于ZigBee技术的智能家居无线网络设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2011.

[5]赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海：上海交通大学，2007.

[6]马菁菁.Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[7]李涛.基于STM32的GPS车载终端的设计[D].兰州：兰州交通大学，2013.

[8]张卫华.基于STM32的灌区监测系统的研发[D].咸阳：西北农林科技大学，2013.

[9]应卓君.面向家庭的远程健康监护系统的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2013.

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1009-6434（2016）02-0046-01