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基于FPGA和ZigBee技术的智能家居系统袁源，王紫婷，刘杨（兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州,730070）摘要：本文主要设计了一种智能装置——智能家居系统，提出了一种采用FPGA技术与ZigBee的无线技术来完成对智能家居系统的设计。该系统全部采用无线通信技术来完成，省去了重新布线的问题，能够实时采集温度、湿度和光照度信号，通过对信号的处理，使PDA，计算机或手机可以通过Internet或GSM手机网络，在家中无人的情况下，帮助主人实现远程家务：远程烧水，加热洗澡水，开头空调、窗帘等，从而为用户提供一种智能、灵活、方便的生活空间，并大大增强了系统的可扩展性，同样也实现了现代社会“以人为本”的全新家居生活体验。关键词：智能家居;FPGA技术;ZIGBEE技术;低功耗;远程控制;IP_Link1270中图分类号：TP332.1文献标识码：ASmarthomesystembasedonZigbeeandFPGAtechnologyYuanYuan,WangZiTing,LiuYangFan（SchoolofElectronicsandInformationEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:Inthisproduction,wedesignedanintelligentdevicecalledintelligenthomesystem,bringupthedesignofsmarthomesystembasedonFPGAtechnologyandZigBeewirelesstechnology.Thissystemalladoptthewirelesscommunicationtechnologytocomplete,tellthenewwiring,capableofreal-timeacquisitionoftemperature,humidityandlightintensitysignal,thesignalprocessing,whichallowsPDA,computerormobilephonestodothehouseworkwithoutpeoplebeingathomeoverInternetorGSMnetwork.Suchasboilingwateroverlong-distance,heatingthebathwater,turningonorturningofftheair-conditionorcurtainsandsoon,begintoprovideuserswithakindofintelligence,flexibleandconvenientlivingspace,andgreatlyenhancethesystemscalability,alsotoachieveamodernsocietypeople-orientedasanewhomeexperience.Keywords:Smarthome;FPGATechnology;ZigbeeTechnology;Lowpowerconsumption;Long-distancecontrol,IP_Link12700绪论随着人类不断的进入数字化时代，越来越多的领域开始掀起一场数字化革命。同时，随着人类生活水平的不断提高，人们也对自己的居住环境提出了更高的要求，所以建立健康舒适的环境，提高人们的生活品质与工作效能成为人们追求的目标。而在这种理念的推动下，智能家居保姆的概念就应运而生了。而本文主要是针对家电控制系统做了具体的设计与研究。智能家居保姆是指以现代住宅为平台，采用先进的电子传感技术和信息传输技术的开放性、智能化集成家居系统，它利用网络通讯技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹规划，实现对住宅情况进行远程监控和实时管理，为用户提供全方位的多功能服务。本文采用ZigBee收发模块及程控电话作为通信平台进行信息反馈和远程控制，实现了电话远程报警、远程遥控等功能。1ZigBee技术简介ZigBee技术的主要优点有：(1)节点功耗低。节点的收发距离短，所需功耗低。另外，ZigBee技术配合芯片采用了多种节能工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到1年半左右的使用时间；(2)网络的自组织强。(3)网络容量大。(4)时延短。典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。(5)开发成本低。由于网络协议简单，开发时间成本较低，而且ZigBee协议免除专利费，ZigBee的工作频率采用ISM频段，选择灵活。ZigBee技术主要适用于自动控制以及远程控制领域,还可以嵌入至各种设备中，完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。2系统总体设计及主要功能本系统是以单个家庭为单位进行安装，以智能家居系统中的家电控制子系统为研究对象，采用ZigBee无线网络技术作为数据传输平台，将各传感器节点采集到的环境信息通过ZigBee网络汇聚到网络中的控制中心节点，该控制中心节点再通过串口发送数据到智能家居系统中的管理中心。该管理中心在智能控制装置和每个子节点上都接有一个采用了Altera公司推出的32位高性能软处理器nios2，并移植了针对该处理器的uClinux操作系统。管理中心可根据接收到的数据进行处理，并通过家庭总线系统与其他电器设备进行关联操作，实现家庭环境的监测与管理，从而为家庭成员提供安全、舒适、温馨的生活环境。其系统整体结构如图1所示。图1系统整体结构图Fig.1Overallsystemstructurediagram本系统的家电智能控制子系统主要实现以下特色功能：（1）户式空调的智能控制；（2）室内空气质量检测与控制：通过对室内CO2浓度的测量来控制室内的通风量；（3）窗帘节能控制：通过窗帘的开度控制进入室内的太阳辐射热；（4）灯光节能控制：利用太阳能光电转换装置，自动完成电源的切换；（5）其他家电的控制（如：电视的开头，音响的开头等等）；（6）实现远程烧开水，烧洗澡水等控制；3硬件设计3.1FPGA部分系统的核心控制部分由FPGA实现，它负责对系统中各个节点采集到的数据进行汇总，并对整个系统进行智能控制.本设计中硬件的设计都是基于Altera公司DE2-70开发平台来实现的。FPGA部分的设计思路是：从ZigBee网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，然后系统从SDRAM中读取数据后显示在LCD上，系统的整个软件都是存储在Flash中。本设计利用ZigBee网络在无线通信方面的优点和FPGA的I/O端口多，并且可自由定义其功能、自由编程支配等特点，再配以VHDL/VerilogHDL编写的内部执行软件和NiosII，能很好地解决无线数据采集的问题，通过ZigBee无线网络将节点的数据传送到ZigBee中继站，ZigBee中继站使用异步串行通信的方式将数据送入FPGA控制平台进行数据处理；在FPGA控制平台上，使用Altera的IP核构成NiosII软核，再将其植入FPGA芯片中，然后通过编写软件来实现FPGA控制平台的功能，当ZigBee中继站将数据通过串口发送到FPGA控制平台之后，按照程序设计的方案对收到的数据进行相应的分析和处理，然后使用液晶显示屏将温度值显示出来。系统的NiosII软核结构如图2所示。AlteraCycleIIFPGAEP2C35系统互连结构NiosII处理器JTAG调试模块JTAGUART接口定时器三态桥SDRAM控制器EPCS控制器LCD控制器4MFLASH8MSDRAMEPCS1616×2LCDCLOCKReset通过USB-Blaster至主机AlteraCycleIIFPGAEP2C70图2FPGA部分硬件结构图Fig.2FPGAhardwarestructurediagram3.2ZigBee平台部分美国Helicomm公司zigBee无线收发模块IP_Link1270,IP_Link1270是集成了射频收发器，微控制器，数字和模拟I/O，多点多拓扑网络层功能于一身的半双工无线通讯系列模块.IP_Link1270系列模块内嵌的网络通讯协议，完整体现世界上最新的ZigBeevl.0网络层的强大功能.基于对成本、技术支持以及本论文实现条件和时间有限等多方面因素的综合考虑，决定采用赫利讯的IP_Link1270通讯模块.IP_Link1270通讯模块:Helicomm公司推出的，ZigBee开发工具和产品，包含符合802.15.4标准的2.4GHZ射频组件、低功耗的8位微控制器、zigBee网络软件和全波长天线，每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率;支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在网状或多次跳接(multichip)无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4kbps.IP_Link1270是完全符合IEE802.15.4标准与ZigBee规范的2.4GHz无线收发模块。射频部分使用Freescale的MC13191/13192/13193芯片，MCU使用的是Freescale的Mc9S08GT60芯片.主要的性能:1)2.4GHz不需要申请工作频段;2)8bit的微型控制器;2通道;3)PCB双偶极子天线;4)14个引脚的接口;足够的传输速率;4软件设计本设计的软件程序是在NiosIIIDE中由C语言编写的，在NiosIIIDE提供的工程管理器中完成所有的设计，特别的，在新建工程时要选择在SOPCBuilder中生成的NiosII处理器，这是和别的嵌入式开发不同的地方。系统的软件程序组成如图2所示，主要包括底层驱动程序和上层应用程序设计。底层程序包括硬件驱动程序和基本的输入输出函数(BIOS)，用来供上层程序的调用。系统程序组成示意图如图3所示。图3系统程序组成示意图Fig.3Systemprogrammingcompositionschemes本文底层程序主要有LCD1602的驱动程序和通用PIO口的读写程序。上层应用程序是以底层程序为基础上层应用程序BIOS程序Driver程序物理硬件的，本文的NiosII软核上层程序主要完成两个功能，一个是读取串口数据并存入SDRAM；另一个是控制LCD1602液晶对数值的显示。系统的软件流程图如图4所示。图4系统的软件流程图Fig.4Systemsoftwareflowchart5结束语本系统通过FPGA和相应的外围口,构建了一个嵌入式控制处理平台,从而实现了智能家居控制部分的设计.基于FPGA技术智能控制设计的优点就在于其设计的灵活性,FPGA有大量软核和I/O口,可以方便进行二次开发,设计者可以根据实际需要很方便的改变处理器的结构.ZIGBEE网络的设计,优点在于其低功耗、低成本和高度的扩充性.应用Zigbee网络实现无线通信功能,与有线传输方式相比,完全可以达到其相同的传输效果,并可以避免现场的重复布线等不美观工作.因此基于FPGA和ZIGBEE的智能家居系统更具灵活性,功能扩展也更加容易,系统升级也更方便,设计者可以根据实际需要改变处理器的结构,改变网络的容量，使得智能家居的使用和扩展有了很好的利用空间。系统初始化从串口读取数据并存入SDRAM开始从SDRAM读取数据判断选择运行判断选择复位判断选择LCD显示保持暂停参考文献[1]刘经纬,关伟,郁建,基于DM642的智能家居保姆[C],电子工业出版社,2008:379-390[2]文璧,张洁,徐谦,基于无线射频与FPGA技术的数据采集系统[J],中国测试,2009[3]张亮,基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D],武汉科技大学硕士论文,2009[4]南忠良,孙国新,基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J],电子设计工程,2010[5]王志华,基于FPGA的四路同步数据采集和处理系统的设计[D],南京理工大学硕士论文,2