摘 要： 根據(jù)ZigBee技術(shù)及家庭控制網(wǎng)絡(luò)通信的特點，設(shè)計出由ZigBee無線節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關(guān)組成的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中引入多種傳感器采集環(huán)境信息，能夠遠程控制家電設(shè)備，用戶能通過手機APP和短信息方式查看系統(tǒng)信息并接收報警。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)
0 引言
科技的進步以及人們物質(zhì)生活水平的提高，逐漸推動了智能家居概念的出現(xiàn)。現(xiàn)在，身為物聯(lián)網(wǎng)的十大應(yīng)用領(lǐng)域之一，智能家居的應(yīng)用與生活息息相關(guān)。各種無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的智能化和遠程控制成為一種現(xiàn)實[1]。對于家庭網(wǎng)絡(luò)通信而言，傳輸數(shù)據(jù)量小，在傳輸速率上要求不高，網(wǎng)絡(luò)容量大，家電設(shè)備多，所以要求信息實時性好、時延短、成本低[2]。ZigBee作為一種新興無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它的低成本、低功耗和較寬的覆蓋范圍，使其應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢[3]。針對目前市場上的智能家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性能不強及用戶體驗不佳等問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種更為完善的智能家居系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
智能家居系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關(guān)、ZigBee模塊、GSM／GPRS模塊、Wi-Fi模塊、液晶觸摸屏、各類傳感器以及手機軟件終端等組成。家庭網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負責無線采集和控制網(wǎng)絡(luò)的鏈接、數(shù)據(jù)的分析以及指令的下達；ZigBee各模塊則是采集環(huán)境信息并根據(jù)指令對底層設(shè)備進行控制。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
用戶可通過遠程網(wǎng)絡(luò)或者手機軟件把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，由ZigBee協(xié)調(diào)器對下面負責環(huán)境信息采集或控制家電的各個ZigBee模塊進行控制，家庭網(wǎng)關(guān)也能通過GPRS或Wi-Fi向手機軟件反饋設(shè)備運行狀況和采集到的數(shù)據(jù)。當設(shè)置在家中的傳感器探測到有異常情況時，不僅家中的報警器會開始報警，系統(tǒng)還會通過GSM／GPRS模塊向用戶的手機發(fā)送報警短信。
1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有3種：星形、樹形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是通信會受到距離的限制，覆蓋范圍小；樹形網(wǎng)存在路由，所以覆蓋范圍比星形網(wǎng)要大，但是一旦某個路由發(fā)生故障，與其相連的節(jié)點就會從網(wǎng)絡(luò)中斷開；網(wǎng)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，覆蓋范圍大，可靠性能較高。
居住面積不大的家庭用星形網(wǎng)有較高的性價比，如果居住面積較大則用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)會有更好的效果。本智能家居系統(tǒng)選用星形網(wǎng)絡(luò)建立拓撲結(jié)構(gòu)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1家庭網(wǎng)關(guān)主控制器
本智能家居系統(tǒng)的設(shè)計中，網(wǎng)關(guān)主控制器的控制芯片采用了三星公司的S3C6410，它是16/32位RISC微處理器，采用ARM1176JZF-S內(nèi)核，主頻達到667 MHz，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求。S3C6410支持最大分辨率為1 024×1 024的TFT 24 bit LCD屏，具有2路IIC、4路UART以及全功能的SPI，它還有兩個PCM Audio接口、兩個USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進行外圍擴展。S3C6410價格低、性能高且功耗低，完全符合本設(shè)計要求。在添加了電源模塊、GSM／GPRS模塊、觸摸屏以及Wi-Fi模塊等外圍電路后，便組成了家庭網(wǎng)關(guān)主控制器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)核心模塊關(guān)系圖如圖2所示。
2.2 ZigBee模塊
本設(shè)計中ZigBee模塊分為射頻收發(fā)模塊和底層控制板兩個部分。
射頻收發(fā)模塊采用美國德州儀器公司的CC2530芯片作為控制芯片。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠友好地支持低功耗無線通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個8位撥碼開關(guān)輸入、2路數(shù)字量輸入、2路數(shù)字量輸出、1路模擬量輸入、1路模擬量輸出以及1個IIC總線接口。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過RS232串口與家庭網(wǎng)關(guān)相連接。底層控制板的通用性良好，根據(jù)8位撥碼開關(guān)可選擇自身的功能，用戶能夠根據(jù)需求對底層的節(jié)點進行擴展。
2.3 GSM／GPRS模塊
本設(shè)計中采用了晨訊科技的GSM／GPRS模塊SIM300。SIM300是小體積即插即用模組中完善的GSM／GPRS解決方案，它內(nèi)嵌強大的TCP／IP協(xié)議棧，能夠以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)遠端用戶設(shè)備和控制中心的數(shù)據(jù)[4]。網(wǎng)關(guān)通過RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話、發(fā)短信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件的設(shè)計包含3個部分：網(wǎng)關(guān)控制部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分以及手機應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
3.1 網(wǎng)關(guān)主控制器的程序設(shè)計
網(wǎng)關(guān)主控制器采用Linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。它的驅(qū)動程序非常豐富，支持多任務(wù)及各種主流的硬件設(shè)備，用戶可以根據(jù)自己的需求對它進行修改。
網(wǎng)關(guān)初始化之后可以接收來自手機端和觸摸屏的命令及ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，之后根據(jù)命令和對數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過ZigBee協(xié)調(diào)器向底層設(shè)備發(fā)送控制指令，并將底層設(shè)備的運行狀態(tài)通過Wi-Fi發(fā)送至手機軟件。網(wǎng)關(guān)的主程序流程圖如圖4所示。
3.2 ZigBee模塊的程序設(shè)計
ZigBee模塊的程序包含了協(xié)調(diào)器和子節(jié)點兩個部分。
協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負責整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點之間信息的傳遞以及和家庭網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)。
協(xié)調(diào)器在初始化之后開始自動掃描，若有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會檢查該節(jié)點是否入過網(wǎng)，若是沒有，協(xié)調(diào)器會給該節(jié)點分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點編號并在節(jié)點地址表中增加該節(jié)點的信息。協(xié)調(diào)器會收集子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按設(shè)定好的周期和數(shù)據(jù)格式將其送至家庭網(wǎng)關(guān)；家庭網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器傳達命令后，協(xié)調(diào)器通過分析再將命令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的節(jié)點。協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖5所示。
子節(jié)點由環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安防報警和家電控制3個類型組成。子節(jié)點初始化之后向協(xié)調(diào)器申請入網(wǎng)，申請通過后會被分配一個網(wǎng)絡(luò)地址和一個獨有的編號，接著子節(jié)點會開始與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)信息交換。環(huán)境采集節(jié)點通過傳感器周期性地采集溫濕度、光照度以及空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器，若是某一數(shù)據(jù)超過了設(shè)定范圍，便會發(fā)出相應(yīng)的設(shè)備控制命令使之回到設(shè)定范圍內(nèi)。安防報警節(jié)點則包含玻璃破碎、煙霧、二氧化碳濃度、燃氣、紅外對射等傳感設(shè)備，當某一節(jié)點觸發(fā)了報警信息，則該節(jié)點會將此信息上傳至協(xié)調(diào)器并啟動警報。家電控制節(jié)點會將其連接的家電運行狀況上傳至協(xié)調(diào)器，并通過網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器的控制命令對家電進行控制。
3.3 應(yīng)用控制軟件的設(shè)計
本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件便是基于Android系統(tǒng)設(shè)計的，開發(fā)平臺為Eclipse。手機軟件包含界面美化、系統(tǒng)模式切換、報警短信接收設(shè)置、節(jié)點信息查看以及家電控制幾個部分。軟件界面設(shè)計盡可能簡單、美觀且人性化，軟件截圖如圖6所示。
其中，系統(tǒng)模式分為離家／在家、白天／夜晚和正常／睡眠6種。當選擇離家模式時，系統(tǒng)會將所有的安防報警節(jié)點全部啟用，并在觸發(fā)報警后將報警短信發(fā)送至設(shè)定好的手機號碼；選擇在家模式時，系統(tǒng)會部分布防并通過警報器來報警；白天／夜晚模式通過光照度來自動切換，系統(tǒng)也會根據(jù)光照度來對窗簾進行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應(yīng)燈開始啟用，并且設(shè)定為弱光避免刺激眼睛。
通過Wi-Fi與家庭網(wǎng)關(guān)進行連接，用戶不僅可以根據(jù)設(shè)定在手機軟件上分房間查看各節(jié)點設(shè)備的工作狀況和采集到的數(shù)據(jù)，而且還能直接通過手機軟件對接入系統(tǒng)的家電進行控制。
4 系統(tǒng)模擬測試
將設(shè)計好的系統(tǒng)搭建在一個小屋當中，硬件全部開啟之后打開手機軟件連接Wi-Fi并登入系統(tǒng)。子節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)在觸摸屏和手機上都能查看到，并且通過觸摸屏和手機下達的指令能夠很好地執(zhí)行；模式切換時節(jié)點工作無異狀，安防報警正常工作。經(jīng)過24小時測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，各項性能也都符合設(shè)計的要求。實際搭建好的系統(tǒng)如圖7所示。
5 結(jié)論
本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的整體構(gòu)架，給出了硬件設(shè)備和軟件的實現(xiàn)方法。相對于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)而言，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、便于擴展且避免了復(fù)雜的布線問題；同時因智能手機軟件的加入，使整個系統(tǒng)的操作變得更加便利，用戶體驗度提高。基于ZigBee底層控制板的通用性，用戶能夠根據(jù)需求改變節(jié)點的功能，更加人性化。總體來說，本系統(tǒng)具有良好的實用性、穩(wěn)定性和安全性，很適合在家庭、公司等場合使用。
參考文獻
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