摘 要： 根據(jù)ZigBee技術(shù)及家庭控制網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出由ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)程控制家電設(shè)備，用戶(hù)能通過(guò)手機(jī)APP和短信息方式查看系統(tǒng)信息并接收?qǐng)?bào)警。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；ZigBee；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)
0 引言
科技的進(jìn)步以及人們物質(zhì)生活水平的提高，逐漸推動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(yuǎn)程控制成為一種現(xiàn)實(shí)[1]。對(duì)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(shí)時(shí)性好、時(shí)延短、成本低[2]。ZigBee作為一種新興無(wú)線(xiàn)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(shì)[3]。針對(duì)目前市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性能不強(qiáng)及用戶(hù)體驗(yàn)不佳等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(jì)
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(lèi)傳感器以及手機(jī)軟件終端等組成。家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)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(dá)；ZigBee各模塊則是采集環(huán)境信息并根據(jù)指令對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
用戶(hù)可通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)或者手機(jī)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(duì)下面負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集或控制家電的各個(gè)ZigBee模塊進(jìn)行控制，家庭網(wǎng)關(guān)也能通過(guò)GPRS或Wi-Fi向手機(jī)軟件反饋設(shè)備運(yùn)行狀況和采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置在家中的傳感器探測(cè)到有異常情況時(shí)，不僅家中的報(bào)警器會(huì)開(kāi)始報(bào)警，系統(tǒng)還會(huì)通過(guò)GSM／GPRS模塊向用戶(hù)的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。
1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：星形、樹(shù)形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是通信會(huì)受到距離的限制，覆蓋范圍小；樹(shù)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(gè)路由發(fā)生故障，與其相連的節(jié)點(diǎn)就會(huì)從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)；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?xún)r(jià)比，如果居住面積較大則用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1家庭網(wǎng)關(guān)主控制器
本智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá)到667 MHz，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)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(gè)PCM Audio接口、兩個(gè)USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進(jìn)行外圍擴(kuò)展。S3C6410價(jià)格低、性能高且功耗低，完全符合本設(shè)計(jì)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(jì)中ZigBee模塊分為射頻收發(fā)模塊和底層控制板兩個(gè)部分。
射頻收發(fā)模塊采用美國(guó)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(gè)真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠友好地支持低功耗無(wú)線(xiàn)通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個(gè)8位撥碼開(kāi)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(gè)IIC總線(xiàn)接口。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)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(kāi)關(guān)可選擇自身的功能，用戶(hù)能夠根據(jù)需求對(duì)底層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。
2.3 GSM／GPRS模塊
本設(shè)計(jì)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(qiáng)大的TCP／IP協(xié)議棧，能夠以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動(dòng)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(shí)收發(fā)遠(yuǎn)端用戶(hù)設(shè)備和控制中心的數(shù)據(jù)[4]。網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話(huà)、發(fā)短信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包含3個(gè)部分：網(wǎng)關(guān)控制部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分以及手機(jī)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(jì)
網(wǎng)關(guān)主控制器采用Linux系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它的驅(qū)動(dòng)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(hù)可以根據(jù)自己的需求對(duì)它進(jìn)行修改。
網(wǎng)關(guān)初始化之后可以接收來(lái)自手機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過(guò)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(yùn)行狀態(tài)通過(guò)Wi-Fi發(fā)送至手機(jī)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(jì)
ZigBee模塊的程序包含了協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分。
協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)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(kāi)始自動(dòng)掃描，若有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會(huì)檢查該節(jié)點(diǎn)是否入過(guò)網(wǎng)，若是沒(méi)有，協(xié)調(diào)器會(huì)給該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點(diǎn)編號(hào)并在節(jié)點(diǎn)地址表中增加該節(jié)點(diǎn)的信息。協(xié)調(diào)器會(huì)收集子節(jié)點(diǎn)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(dá)命令后，協(xié)調(diào)器通過(guò)分析再將命令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖5所示。
子節(jié)點(diǎn)由環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安防報(bào)警和家電控制3個(gè)類(lèi)型組成。子節(jié)點(diǎn)初始化之后向協(xié)調(diào)器申請(qǐng)入網(wǎng)，申請(qǐng)通過(guò)后會(huì)被分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址和一個(gè)獨(dú)有的編號(hào)，接著子節(jié)點(diǎn)會(huì)開(kāi)始與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(guò)了設(shè)定范圍，便會(huì)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(bào)警節(jié)點(diǎn)則包含玻璃破碎、煙霧、二氧化碳濃度、燃?xì)狻⒓t外對(duì)射等傳感設(shè)備，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)觸發(fā)了報(bào)警信息，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)將此信息上傳至協(xié)調(diào)器并啟動(dòng)警報(bào)。家電控制節(jié)點(diǎn)會(huì)將其連接的家電運(yùn)行狀況上傳至協(xié)調(diào)器，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器的控制命令對(duì)家電進(jìn)行控制。
3.3 應(yīng)用控制軟件的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件便是基于Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Eclipse。手機(jī)軟件包含界面美化、系統(tǒng)模式切換、報(bào)警短信接收設(shè)置、節(jié)點(diǎn)信息查看以及家電控制幾個(gè)部分。軟件界面設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)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(dāng)選擇離家模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將所有的安防報(bào)警節(jié)點(diǎn)全部啟用，并在觸發(fā)報(bào)警后將報(bào)警短信發(fā)送至設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼；選擇在家模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)部分布防并通過(guò)警報(bào)器來(lái)報(bào)警；白天／夜晚模式通過(guò)光照度來(lái)自動(dòng)切換，系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)光照度來(lái)對(duì)窗簾進(jìn)行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應(yīng)燈開(kāi)始啟用，并且設(shè)定為弱光避免刺激眼睛。
通過(guò)Wi-Fi與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，用戶(hù)不僅可以根據(jù)設(shè)定在手機(jī)軟件上分房間查看各節(jié)點(diǎn)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(guò)手機(jī)軟件對(duì)接入系統(tǒng)的家電進(jìn)行控制。
4 系統(tǒng)模擬測(cè)試
將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)搭建在一個(gè)小屋當(dāng)中，硬件全部開(kāi)啟之后打開(kāi)手機(jī)軟件連接Wi-Fi并登入系統(tǒng)。子節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)在觸摸屏和手機(jī)上都能查看到，并且通過(guò)觸摸屏和手機(jī)下達(dá)的指令能夠很好地執(zhí)行；模式切換時(shí)節(jié)點(diǎn)工作無(wú)異狀，安防報(bào)警正常工作。經(jīng)過(guò)24小時(shí)測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，各項(xiàng)性能也都符合設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際搭建好的系統(tǒng)如圖7所示。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，詳細(xì)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(shí)現(xiàn)方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)而言，本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、便于擴(kuò)展且避免了復(fù)雜的布線(xiàn)問(wèn)題；同時(shí)因智能手機(jī)軟件的加入，使整個(gè)系統(tǒng)的操作變得更加便利，用戶(hù)體驗(yàn)度提高。基于ZigBee底層控制板的通用性，用戶(hù)能夠根據(jù)需求改變節(jié)點(diǎn)的功能，更加人性化。總體來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性、穩(wěn)定性和安全性，很適合在家庭、公司等場(chǎng)合使用。
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