智能家居系统的无线控制方案设计
作者：张占军陈诗伟赵煜李未超
来源：《科教导刊·电子版》2015年第01期
摘要本方案设计了利用树莓派卡片电脑为控制服务器，ZigBee作为无线组网工具的无线智能家居控制系统。

通过该系统，用户可以通过网络端实时访问并控制树莓派向ZigBee协调器发送控制命令，并由ZigBee路由器接收协调器转发的命令，从而控制终端电器设备。

方案为智能门锁设计了用高低电平控制开闭锁；为智能窗帘设计了两个电机正反转控制窗帘的开闭；为智能电灯设计了通过调光模块调节电灯亮度。

关键词树莓派 ZigBee 智能家居
中图分类号：TN873 文献标识码：A
智能家居作为一个新兴产业，正于一个成长发展期，技术的发展更新正是物联网智能家居发展方向。

当前，智能家居系统尚未有统一的行业标准，其控制方式也形式多样，但有线连接控制的方式居多，与无线相比，安装工作和使用维护的方便性都要逊一筹。

随着近两年Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等技术突飞猛进地发展和广泛应用，无线技术和设备已带给人们诸多便利，悄然改变着人们传统的生活习惯。

本方案在现有智能家居技术的背景下，研究无线智能家居的控制。

1 主要开发设备及环境
1.1 系统控制设备
本方案以当前迅速兴起的树莓派（Raspberry Pi）作为系统控制设备。

它是一款基于Linux 系统的、只有一张信用卡大小的卡片式计算机，内存为256M、CPU为ARM1176JZF-S，具有多媒体处理能力，具有体积小、价格低廉、功能强大的特点。

通过通用端口（GPIO）来控制外连设备，简单的说就是给其26个针脚赋值高低电平，以达到对外部设备的控制。

1.2 无线通信设备
随着物联网的发展，衍生出来的无线连接方式多种多样，红外、蓝牙、Wi-Fi和ZigBee等都已成为开发人员研究方向。

与蓝牙等相比，ZigBee在家庭自动化控制中，在功耗、距离和组网容量、时延短等方面稍有优势，而Wi-Fi则在连接互联网、智能手机和个人电脑方面表现更好，因此本方案设计使用了两种无线通信技术：Wi-Fi和ZigBee。

2 系统设计
2.1 总体设计目标
图1：系统架构图
本方案的目标是通过树莓派作为服务控制器，与ZigBee（协调器）通过串行端口直连通信。

树莓派通过端口通信控制ZigBee协调器向ZigBee路由器发送控制命令，然后由与设备直连的ZigBee路由器控制设备的关断与开启。

另一端，由树莓派通过Wi-Fi网卡与家庭路由器进行无线连接，从而使树莓派前端可以接入网络。

一旦设备接入网络，手机客户端可以通过APP联网接入树莓派控制系统，普通PC电脑也可以凭身份信息通过登录客户端页面进行控制。

其系统架构如图1所示。

2.2 子模块设计
本设计方案以智能家居系统的常用功能的子模块——智能灯光控制、智能门禁、智能窗帘控制进行设计验证，下面以窗帘控制子模块为例进行详细的设计介绍。

2.2.1 窗帘控制子模块的硬件设计
窗帘采用两个减速马达作为动力装置，两条传动线作为传动装置，两个带轴承的支柱作为转子固定。

马达型号为N20减速长轴电机马达，轴长26毫米，轴径为3毫米，减速比为1：298，转速为100RPM，工作电压为12V，第三方供电，引入继电器。

但为了实现电平控制正反转，采用两个继电器。

首先将N20马达的异侧端分别相连，然后将继电器1和继电器2的其余两个端口按图3与第三方电源（9V/1A）电源相连。

VCC接5V控制电压，GND接地，IN1、IN2为控制端口。

两个继电器的常闭端口分别为J1和GND、J2和GND，当控制端口IN1、IN2为低电平时，
J1、J2和GND相连，减速电机不转动。

当IN1为高电平IN2为低电平时，继电器1接通VCC 和J1，左侧减速电机顺时针转，右侧减速电机逆时针转，窗帘呈开启状态；当IN2为高电平IN1为低电平时，继电器2接通VCC和J2，左侧减速电机逆时针转，右侧减速电机顺时针转，窗帘呈关闭状态。

2.2.2 窗帘控制子模块的驱动设计
窗帘设计的目标是要实现开闭实时控制。

控制开关设计为三种状态：开、关、停。

当按“开”时即接通电源，左电机顺时针转动，右侧电机逆时针转动，从而窗帘内传动带拖着窗帘滑轮打开窗帘；反之，当按“关”键时，两电机转向相反，关闭窗帘；按“停”键，则供电终止，窗帘停在当前位置。

同时，为了避免窗帘全开或全闭时电机继续转动，系统还设计自保护功能，即根据电机角速度、半径R、窗帘最大开合距离S、窗帘当前开合距离S′（0≤ S′≤S），可以计算最大转动时间T和已经转动t，T为门限值，当t=T时则自动停止。

其计算公式和系统工作流程图如公式（1）和图2所示。

最大转动时间：（下转第163页）（上接第160页）
（1）
图2：窗帘控制流程图
2.2.3 系统总体设计
总体接线示意图如图3所示。

其中包括了树莓派、ZigBee协调器、ZigBee路由器、继电器模块、调光模块等。

树莓派RX端和ZigBee CC2530芯片的TX端相连，TX端和ZigBee的RX端相连。

树莓派通过串口通信方式控制作为协调器的ZigBee（C）向作为路由器的ZigBee （R）发送控制命令，从而ZigBee（R）可以通过它的P00、P04、P05、P06、P07口分别控制电灯、电磁锁、窗帘的继电器工作，进而控制各种设备的状态。

3 实验情况及结论
实验测试时，先通过树莓派终端将系统初始化，建立好服务器控制端，通过ZigBee组网连接好子模块设备，通过Wi-Fi连接家庭局域网，然后分别通过PC机和手机APP访问控制，实验验证，本设计方案可以顺畅运行。

本方案集智能家居控制、安全环境监测于一身，是一个方便、舒适、安全的无线智能系统。

此外，当下智能家居系统的设计成品还相对较少，成本高，普及率还比较低，本方案设计采用树莓派作为控制服务器，附加一些继电器控制设备开断，也很好地降低了成本预算，而且系统设计了电脑端上位机和手机端软件，更加贴合当下的时尚控制理念。

图3：系统总体接线示意图
参考文献
[1] 致远电子.短距离无线通信技术对比[J].电子技术应用，2011（3）.。