摘 要： 根據(jù)ZigBee技術及家庭控制網(wǎng)絡通信的特點,，設計出由ZigBee無線節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關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。
關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng),；智能家居,；ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡
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)?，F(xiàn)在，身為物聯(lián)網(wǎng)的十大應用領域之一,，智能家居的應用與生活息息相關,。各種無線通信技術的不斷發(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)絡容量大,，家電設備多,，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)絡通信技術，它的低成本,、低功耗和較寬的覆蓋范圍,，使其應用在智能家居領域具有很大的優(yōu)勢[3]。針對目前市場上的智能家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜,、通用性能不強及用戶體驗不佳等問題,，本文設計并實現(xiàn)了一種更為完善的智能家居系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體方案設計
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
智能家居系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關,、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)絡或者手機軟件把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關,，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)關也能通過GPRS或Wi-Fi向手機軟件反饋設備運行狀況和采集到的數(shù)據(jù)。當設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)絡拓撲結(jié)構(gòu)
ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結(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??；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)絡中斷開,；網(wǎng)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復雜，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)絡會有更好的效果,。本智能家居系統(tǒng)選用星形網(wǎng)絡建立拓撲結(jié)構(gòu),。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1家庭網(wǎng)關主控制器
本智能家居系統(tǒng)的設計中，網(wǎng)關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)關主控制器。網(wǎng)關內(nèi)核心模塊關系圖如圖2所示,。
2.2 ZigBee模塊
本設計中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)關相連接,。底層控制板的通用性良好，根據(jù)8位撥碼開關可選擇自身的功能,，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)遠端用戶設備和控制中心的數(shù)據(jù)[4],。網(wǎng)關通過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)軟件設計
系統(tǒng)軟件的設計包含3個部分：網(wǎng)關控制部分、ZigBee網(wǎng)絡部分以及手機應用軟件,。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。
3.1 網(wǎng)關主控制器的程序設計
網(wǎng)關主控制器采用Linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。它的驅(qū)動程序非常豐富,，支持多任務及各種主流的硬件設備，用戶可以根據(jù)自己的需求對它進行修改,。
網(wǎng)關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)器向底層設備發(fā)送控制指令，并將底層設備的運行狀態(tài)通過Wi-Fi發(fā)送至手機軟件,。網(wǎng)關的主程序流程圖如圖4所示,。
3.2 ZigBee模塊的程序設計
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)絡的核心,，負責整個ZigBee網(wǎng)絡的建立,、節(jié)點之間信息的傳遞以及和家庭網(wǎng)關交換數(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,，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),，并按設定好的周期和數(shù)據(jù)格式將其送至家庭網(wǎng)關；家庭網(wǎng)關向協(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)超過了設定范圍,，便會發(fā)出相應的設備控制命令使之回到設定范圍內(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)關和協(xié)調(diào)器的控制命令對家電進行控制。
3.3 應用控制軟件的設計
本系統(tǒng)的應用軟件便是基于Android系統(tǒng)設計的,，開發(fā)平臺為Eclipse,。手機軟件包含界面美化、系統(tǒng)模式切換,、報警短信接收設置,、節(jié)點信息查看以及家電控制幾個部分。軟件界面設計盡可能簡單,、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,，家中的紅外感應燈開始啟用,，并且設定為弱光避免刺激眼睛。
通過Wi-Fi與家庭網(wǎng)關進行連接,，用戶不僅可以根據(jù)設定在手機軟件上分房間查看各節(jié)點設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
本文設計了一種基于ZigBee技術的智能家居系統(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,，本設計結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,、便于擴展且避免了復雜的布線問題,；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,?？傮w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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