基于ZigBee和Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)*

基于ZigBee和Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)*

徐繼寧，張暕，胡敦利（北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100144）

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無線節(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，用戶能通過手機(jī)APP和短信息方式查看系統(tǒng)信息并接收?qǐng)?bào)警。

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(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(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(duì)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(qiáng)及用戶體驗(yàn)不佳等問題，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(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。

圖1　智能家居系統(tǒng)總體框圖

用戶可通過遠(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到有異常情況時(shí)，不僅家中的報(bào)警器會(huì)開始報(bào)警，系統(tǒng)還會(huì)通過GSM/GPRS模塊向用戶的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。

1.2ZigBee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、樹形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是通信會(huì)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(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；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(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667MHz，能夠滿足系統(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TFT24 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。

圖2　網(wǎng)關(guān)核心模塊關(guān)系圖

2.2ZigBee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線通信。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(duì)底層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3GSM/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(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、Zig-Bee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。

圖3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

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。

圖4　網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

3.2ZigBee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)是否入過網(wǎng)，若是沒有，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。

圖5　協(xié)調(diào)器程序流程圖

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(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)?、紅外對(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)盡可能簡單、美觀且人性化，軟件截圖如圖6所示。

圖6　手機(jī)軟件截圖

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)部分布防并通過警報(bào)器來報(bào)警；白天/夜晚模式通過光照度來自動(dòng)切換，系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)光照度來對(duì)窗簾進(jìn)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(jìn)行連接，用戶不僅可以根據(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，硬件全部開啟之后打開手機(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)工作無異狀，安防報(bào)警正常工作。經(jīng)過24小時(shí)測試，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。

圖7　搭建好的系統(tǒng)

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)簡單、成本較低、便于擴(kuò)展且避免了復(fù)雜的布線問題；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，用戶體驗(yàn)度提高?；赯igBee底層控制板的通用性，用戶能夠根據(jù)需求改變節(jié)點(diǎn)的功能，更加人性化。總體來說，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、公司等場合使用。

［1］李新春，趙雙華.基于ARM與GPRS的家庭智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（5）：227-229.

［2］徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（8）：80-83.

［3］CHALLOO R，OLADEINDE A，YILMAZER N，et al.An overview and assessment of wireless technologies and coexistence of ZigBee，bluetooth and Wi-Fi devices［J］.Procedia Computer Science，2012（12）：386-391.

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Smart home system based on ZigBee and Wi-Fi

Xu Jining，Zhang Jian，Hu Dunli
（Beijing Key Laboratory of Fieldbus Technology and Automation，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Considering the characteristics of ZigBee technology and home networking communications，this paper presents a smart home system design and implementation based on the ZigBee network equipment and embedded gateway composition.The designed system utilizes several sensors to collect environmental information，and controls household appliances remotely to modify environmental information.Users can also view system information via intelligent terminal software，receiving alarm messages by phone.

Internet of Things；smart home；ZigBee；wireless sensor networks

TP29

A

1674-7720（2015）12-0057-03

2015-01-17）

徐繼寧（1970-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：控制理論應(yīng)用、信號(hào)測試分析、現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

張暕（1987-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。E-mail：tenkawa-akito@163.com。

胡敦利（1967-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：現(xiàn)場總線技術(shù)、智能控制和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ 61174116 ） ；北京市專業(yè)綜合改革項(xiàng)目（ PXM2014_014212_000033 ）