基于ZigBee与XBee的智能家居系统设计及其性能测试.docx

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1、基于ZigBee与XBee的智能家居系统设计及其性能测试 信息通过串行通信的方式传输给无线通信模块，并由放射端传送给接收端，接收端同样采纳串行通信将信息传输给家电限制模块；家电限制模块主要对发来的指令信息进行解读，从而进行相应的限制操作，实现对家电的智能限制。 2 硬件系统设计 系统的硬件电路设计主要包括信号接收与处理模块、无线通信模块、家电限制模块等，系统的整体功能主要通过各模块功能的相互组合而实现。 2.1 信号接收与处理模块 信号接收与处理模块是实现用户与系统交互的接口，本系统首先采纳语音识别模块，对用户发出的语音指令进行识别与初步处理，然后通过单片机STC10F04XE对语音识别模块输

2、出的数据进行读取和进一步处理，最终传输给无线通信模块放射端进行发送。 2.2 无线通信模块 本设计主要是对两种无线通信方式在室内智能家居应用中的性能进行对比探讨，所以本系统在硬件设计时同时采纳了两种通信模块，ZigBee模块与XBee模块。目前国内生产ZigBee模块的厂家比较多，大致功能与效果相像，本文主要采纳TI公司CC2530 芯片为核心的ZigBee模块。XBee模块是采纳DIGI旗下MaxStream公司生产的无线通信模块，它是一款超小型、低功耗，但功能完善的无线通信收发器。 两无线通信模块都自带软件开发包，可干脆实现点对点无线通信，但都需提前对模块的收发端进行匹配，才能实现正常数据

3、通信。由于单片机的引脚电压为5 V，而两种通信模块的引脚电压为3.3 V，故模块与单片机连接时，本设计采纳光电隔离。两模块均进行串行数据通信，其放射部分电路连接图如图2所示，VCC为5 V电压，通过AMS1117转换为3.3 V电压，给无线通信模块供电，同时利用一个单刀双掷开关限制各无线通信模块的电源输入，便利无线通信模块单个测试。由于模块接收端和发送端与微限制器的电路设计相像，所以只展示单片机与两模块放射端相连部分的电路图。 2.3 家电限制模块 家电限制模块主要由限制器模块、限制电路、显示模块、电源模块等组成，其结构示意图如图3所示。家电限制模块在工作过程中，主要由无线通信模块接收端传入的

4、信息而触发，通过ARM读取接收端的信息，而产生相应的家电限制信号，家电限制信号再通过限制电路执行对家电工作模式的设置，同时利用显示模块对家电的运行状态进行实时显示。下面分别对各个模块进行具体地介绍。 2.3.1 限制器模块 本模块采纳ARM作为主控芯片，是采纳意法半导体公司推出的STM32F103RB。ARM主要负责对无线通信模块接收端信息的读取、处理与转换，同时通过限制电路与液晶显示电路实现对家电运行状态的实时限制与显示。 2.3.2 限制电路 该电路主要由二极管、三极管、继电器等组成。二极管反向并联在继电器上，主要负责抑制与汲取继电器在开启或关断瞬间产生的反向电动势，从而对继电器起到爱护作

5、用。三极管通过集电极与放射极与继电器串联，基极则连接ARM的I/O口，ARM通过基极限制三极管的导通与截止，从而限制继电器直流通路的通与断，实现继电器通路的切换。继电器采纳5 V直流限制220 V沟通的单刀双掷继电器，继电器的常开端与公共端干脆与家电电源电路串联。 2.3.3 电源与显示模块 电源模块主要为无线接收模块、ARM、显示模块、限制电路等供应所需电压。其主要由集成开关芯片MC34063，LM2596及AMS1117等构成。显示模块主要是对电器的运行状态进行实时显示，便利用户监控。 3 系统软件设计 由于两无线通信模块都自带软件开发包，所以在分别运用两模块时，其软件设计流程基本相同。本

6、设计的软件系统主要包括三个部分：语音信号采集与处理、数据通信、家电限制。 语音信号采集与处理程序主要负责对语音吩咐循环采集、比较与处理；数据通信程序是利用无线通信模块对数据进行完整的点对点无线传输；家电限制程序则是通过读取通信模块接收端的信息，完成相应的家电限制职责。下面逐一对各个程序进行具体介绍。 3.1 语音信号采集与处理程序 语音信号采集与处理程序流程图如图4所示。上电后，首先初始化语音信号采集模块，若有语音信号，则对语音信号采集模块采集到的数据与预设的功能数据群进行逐一比较，推断是否有相等数据，若有相等数据则调用信号放射子程序，否则返回，重新等待语音吩咐。预设的功能数据群是语音采集模块

7、对各家电限制吩咐解读而产生的理论数据。 3.2 数据通信程序 数据通信程序主要由放射与接收两部分组成。本设计采纳两种无线通信模块，但采纳相同的程序设计思路，其通信程序流程图如图5所示。放射部分上电后首先进行初始化，再推断放射、接收是否能正常通信，通过信号指示灯判别。对数据存储单元中由语音信息采集与处理程序得到的数据进行读取与发送，由LED灯闪耀进行指示。接收部分，首先初始化，同样推断是否通信正常，正常则进入接收状态，然后利用LED灯指示是否接收数据，最终将数据传送给ARM数据存储单元。 3.3 家电限制程序 家电限制程序主要是通过ARM对各个用电器的运行状态进行实时限制与显示。程序流程图如图6

8、所示，首先初始化LCD显示界面，然后读取存储单元中的数据，从而限制相应的家电，并且通过LCD进行实时显示，便利用户视察。 4 系统性能对比测试 无线通信模块在室内智能家居限制系统应用中主要有三个重要参数： 通信距离，由于室内有墙壁阻隔以及其他各种家用物品障碍物，通信距离的性能指标干脆确定系统的可执行性； 抗干扰性，由于本设计主要应用于室内，所以抗干扰实力也是一个重要指标，干脆影响系统的精准性，其干扰因素主要来源于墙壁阻隔干扰； 通信模块的功耗，现如今大多数通信模块属于低功耗，许多产品采纳电池供电，所以通信模块消耗功率是一个衡量性能的重要指标。 这需针对这三个参数设计相应的试验方案，进行对比试验

9、。 4.1 距离与抗干扰性测试 为考量无线通信方式在室内智能家居系统中的应用，对这两种无线通信方式进行室内与楼道两种环境下通信距离的测试，并且在空旷的室外也进行了测量。因为墙壁阻隔是影响通信距离与造成干扰的主要因素，所以距离与抗干扰性测试同时进行。抗干扰性能测试主要是系统在这两种通信方式下，通过穿透墙壁的数量进行对比分析，从而推断哪种通信方式抗干扰性更强，稳定性更高。图7为ZigBee模块接收效果图，接收端模块收发正常时信号指示灯由闪变为常亮，随着距离的增加，到达肯定距离后信号收发性能变弱，指示灯变闪，最终指示灯变灭，达到最远通信距离。XBee模块效果图与其类似。 室内通信距离测试主要进行水平

10、通信距离与垂直通信距离测试。水平通信距离即测试在室内同楼层间穿墙通信距离，垂直通信距离则是在不同楼层间进行通信距离测量。本设计选择房间宽度约为5 m，楼层高度约为3 m的建筑进行测试，经测试得出ZigBee水平通信距离大约为10 m，穿越一间房两堵墙，垂直通信距离约为10 m，穿越一层楼两块天花板。XBee水平通信距离约20 m，穿越三间房六堵墙，垂直通信距离同样约20 m，穿越六层楼七块天花板。两者在室内通信距离测试中，水平通信距离与垂直通信距离效果相像。 楼道通信距离测试，本设计楼道选择宽度约为1.5 m，楼道一侧为建筑本身，另一侧比较空旷，障碍物少，直线可视，符合大多数室内结构设计，经测

11、试得出ZigBee楼道通信距离约为65 m，XBee楼道通信距离约为101 m。 室外通信距离测试，主要选择在比较空旷的室外进行测量，此参数便利用户安装智能路灯、室外监控设备等器件。经试验测试可知，ZigBee室外通信距离约为101 m，XBee室外通信距离大于200 m，都适用于不同需求的室外智能限制。 通信距离测试数据比照表如表1所示，由测试数据对比可知，XBee模块不管是在室内、楼道、还是在室外都比ZigBee模块通信距离远，并且由室内通信测试可知，XBee模块穿透的墙壁数量更多。综上可知，室内通信距离远、穿透力强，代表此通信方式抗干扰性强，在相同范围内进行通信时稳定性更高；楼道中的通信

12、距离也同样说明上述优点；室外通信距离，说明用户可在更远的范围内安装所需的智能设备，更加满意用户的需求。 4.2 功耗测试 由于本设计除通信模块不同外，其余均采纳相同电路，所以系统的功耗测试差异就为无线通信模块功耗的差异。利用变频电源器给放射部分供应稳定的输入，再通过智能电参数测量仪对放射部分电路工作时所需功率进行测量，如图8所示，图中仪器上有四个测试参数，左上代表市电输入，右上代表电流输入，左下为PF值，右下代表输入功率。图8为ZigBee模块单独工作，系统无其他外围电路工作时，由变频电源供应稳定220 V市电，再通过电源转换器转换为5 V输入，ZigBee模块放射端所需的功率及电流参数。图8

13、为XBee模块通过相同的方式测出的所需电流与功率参数。 由图8中的测试数据可知，采纳ZigBee模块的放射部分工作时所需功率为0.94 W，而采纳XBee模块只需0.69 W，从所需功耗参数比较可得，XBee模块功耗更低，若采纳电池，其运用寿命更长，更适用于室内智能家居。 5 结 论 本文设计了一个基于ZigBee技术与XBee技术的智能家居限制系统，并进行性能对比分析。经测试数据分析结果表明：应用XBee无线通信技术在室内、楼道、室外，其通信距离更远；XBee无线通信技术抗干扰性更强，更适用于存在诸多墙壁、家电等干扰的室内家居应用；在相同条件下，应用XBee无线通信模块功耗更低，若采纳电池供

14、电，其运用寿命更长。所以，XBee无线通信技术更加适用于室内家居智能限制系统，具有较高的实际应用价值。 参考文献 1 刘婵媛.基于物联网的智能家居系统探讨与实现D.北京：北京邮电高校，2022. 2 童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析J.移动通信，2022：1620. 3 严海洋.基于ARM的智能家居系统的设计与实现D.哈尔滨：哈尔滨工业高校，2022. 4 姚现伟.基于STM32的智能家居红外限制系统探讨与设计D.秦皇岛：燕山高校，2022. 5 朱立彬.基于GPRS智能家居远程网络监控系统的探讨D.太原：中北高校，2022. 6 刘永富.基于蓝牙的智能家居限制系统的探讨与设计D

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