基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

丁峰+孫萍+鐘李+陳楊

【摘 要】隨著嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛運(yùn)用，智能家居控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文闡述基于Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有低功耗、安全性高、組網(wǎng)規(guī)模大、成本低、靈活的自適應(yīng)和擴(kuò)展性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)為住戶(hù)提供一個(gè)溫馨舒適、安全節(jié)能、先進(jìn)高尚的家居環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee技術(shù)；智能家居

隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化的迅猛發(fā)展，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)現(xiàn)以住宅為主要應(yīng)用平臺(tái)，兼?zhèn)渚W(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、家電控制等功能，智能家居控制系統(tǒng)在為人們提供更加安全的居住環(huán)境的同時(shí)，對(duì)居住環(huán)境也隨之提出了更高的要求。人們?cè)絹?lái)越注重家庭生活的舒適度、安全性與便利程度。因此從市場(chǎng)需求的角度看，智能家居必然前景廣闊。

本文應(yīng)用Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，構(gòu)建家庭子網(wǎng)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其英文名稱(chēng)是“The Internet of things”。 是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，即物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)保、智能物流、智能交通、智能醫(yī)療、智能家居、食品安全等領(lǐng)域。

二、Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)

Zigbee是一種嶄新的，專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊技術(shù)。

1、低功耗，在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。

2、低成本，Zigbee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。

3、低速率，Zigbee工作在250kbps的通訊速率，滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

4、近距離，相鄰節(jié)點(diǎn)間傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

5、短時(shí)延，Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。

6、高容量，Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

三、無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用廣泛，遍及家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、物流、食品安全等各個(gè)領(lǐng)域，其具體的應(yīng)用方式、產(chǎn)業(yè)模式、產(chǎn)品形態(tài)會(huì)有比較大的差異，但是其體系結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)都是一致的。一般包括三部分：感知執(zhí)行器、智能節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的感知層；網(wǎng)絡(luò)通訊、緩存器、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)等構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層；各種客戶(hù)端應(yīng)用（Android移動(dòng)客戶(hù)端）、應(yīng)用管理系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層。

①選擇感知執(zhí)行設(shè)備。需要選擇合適的傳感器去采集目標(biāo)數(shù)據(jù)，例如溫濕度傳感、光線(xiàn)傳感器；需要選擇合適的執(zhí)行設(shè)備去控制目標(biāo)對(duì)象，例如使用智能用電執(zhí)行器。

②組件無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。需要將傳感器、執(zhí)行器連入無(wú)線(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)進(jìn)行整個(gè)智能感知及控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理。

③網(wǎng)關(guān)及數(shù)據(jù)服務(wù)。需要有網(wǎng)關(guān)，將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆诨ヂ?lián)網(wǎng)的服務(wù)器上?；ヂ?lián)網(wǎng)上具有對(duì)應(yīng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)器，能夠24小時(shí)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行高實(shí)時(shí)性的雙向數(shù)據(jù)通信。

④設(shè)計(jì)管理控制頁(yè)面。需要有一個(gè)易用、專(zhuān)業(yè)、美觀的控制頁(yè)面，能夠從數(shù)據(jù)庫(kù)里獲得數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，讓用戶(hù)可以方便的看到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)；能從控制頁(yè)面上，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行反向控制操作。

四、基于Zigbee技術(shù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在掌握Z(yǔ)igbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于Zigbee技術(shù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光控制、家居安防、火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及控制。

（一）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用Zigbee構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊選用CHIPCON公司的CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)芯片作主板，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)通信；選用ARM7處理器STM32F103芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和底層硬件驅(qū)動(dòng)板。

主控板板載設(shè)備包括：火災(zāi)探測(cè)、溫濕度傳感器、光照傳感器等。

底層板板載設(shè)備包括：繼電器、蜂鳴器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、煙霧傳感器、紅外測(cè)溫傳感器。

CC2430的8051內(nèi)核無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用軟件采用IAR FOR 8051 7.6作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，STM32F103底層硬件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL，均使用C語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的結(jié)構(gòu)相同，都是由主控板和數(shù)據(jù)采集板組成。主控板主要完成節(jié)點(diǎn)加入到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，主控板與數(shù)據(jù)采集板通過(guò)串行接口通信完成二者之間數(shù)據(jù)交互等功能；數(shù)據(jù)采集板配置可控設(shè)備（繼電器、LED等）和傳感器，主要任務(wù)是完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集和接收CC2430的控制指令，對(duì)可控設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和使系統(tǒng)智能化的靈魂?；谟布O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)軟件環(huán)境搭建及功能模塊設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括：Zigbee2006無(wú)線(xiàn)模組和模塊之間的通信任務(wù)；底層板和主控板之間的通信任務(wù)。對(duì)于傳感器，STM32F103只需要正確采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出具體數(shù)值，通過(guò)串口發(fā)送給CC2430即可，不需要接收任何反饋。

對(duì)于可控設(shè)備，STM32F103首先接收CC2430發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令碼，解析后對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)，STM32F103需要實(shí)時(shí)的向CC2430報(bào)告各設(shè)備的運(yùn)行情況。

五、結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)采用Zigbee構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閆igbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、安全性高、組網(wǎng)規(guī)模大、成本低、靈活的自適應(yīng)和擴(kuò)展性等特點(diǎn)，此外，Zigbee是建構(gòu)于IEEE802.15.4物理射頻標(biāo)準(zhǔn)之上的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，有別于一般無(wú)線(xiàn)技術(shù)，能夠解決不同制造商產(chǎn)品間的相互操作能力，完全可以滿(mǎn)足智能家具系統(tǒng)的功能需要，因此設(shè)計(jì)方案可行。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，狀態(tài)穩(wěn)定，防止操作失誤。

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