基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

畢贛斌+何勇+趙詩辭??

摘要：通過對近年來智能家居的研究，以S3C6410為智能網(wǎng)關(guān)的核心處理器，應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式、Wi-Fi等多種技術(shù)，設(shè)計了一套智能家居系統(tǒng)。用戶可利用手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測家庭情況，并對家電設(shè)備等進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了防盜自動報警、燈具自動控制、家庭環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制電器設(shè)備等功能。

關(guān)鍵詞：S3C6410；ZigBee；嵌入式技術(shù)；智能家居

中圖分類號：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.015

1引言

近年來，人們對家庭居住環(huán)境的要求隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高而越來越高。各大廠商帶動的智能設(shè)備普及化使得現(xiàn)代家居向著高度智能化、人性化的方向發(fā)展。

智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成[1]。它是融合了自動化控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)[2]。本文以三星公司S3C6410處理器為智能網(wǎng)關(guān)的核心處理器，利用ZigBee模塊、Wi-Fi模塊及多種移動終端設(shè)計了一個智能家居系統(tǒng)，使分立的設(shè)備通過無線介質(zhì)構(gòu)成一個整體，實(shí)現(xiàn)了防盜自動報警、燈具自動控制、家庭環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制電器設(shè)備等功能，使家居更安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

本文旨在構(gòu)建一套能夠?qū)崟r監(jiān)測控制家庭環(huán)境的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳感器獲取家中各個房間的環(huán)境數(shù)據(jù)并傳輸至網(wǎng)關(guān)，用戶可用手機(jī)向智能網(wǎng)關(guān)請求查詢環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)家庭環(huán)境發(fā)生異常時通知用戶并做出相應(yīng)反應(yīng)；通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時采集家中的視頻圖像，方便用戶進(jìn)行可視化管理；通過無線紅外遙控模塊，用戶可隨時用手機(jī)對家用電器等進(jìn)行控制。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

根據(jù)用戶需求和實(shí)際情況本系統(tǒng)有以下幾個子系統(tǒng)：

1）智能網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)：是整個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集和控制、與手機(jī)端的交互，并對系統(tǒng)進(jìn)行管理；

2）智能照明控制系統(tǒng)：通過繼電器和智能調(diào)光模塊達(dá)到對家庭燈光的控制，讓用戶可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程操作任意房間里燈光的開關(guān)和亮度；

3）智能家電管理系統(tǒng)：通過繼電器和無線紅外遙控模塊，在無須對現(xiàn)有家電改造的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能；

4）智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)：通過ZigBee終端設(shè)備上的溫濕度、氣體等傳感器，實(shí)時采集家庭的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過協(xié)調(diào)器上傳至網(wǎng)關(guān)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)分析判斷有異常數(shù)據(jù)時，自動做出相應(yīng)的反應(yīng)并發(fā)送報告信息至用戶手機(jī)。

5）智能安防監(jiān)測系統(tǒng)：通過ZigBee終端設(shè)備上的氣體、人體紅外感應(yīng)等傳感器、門磁開關(guān)控制器等，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實(shí)時監(jiān)測是否會發(fā)生煤氣泄漏、外來人員闖入、火災(zāi)等特殊情況。當(dāng)特殊情況發(fā)生時系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)并將情況發(fā)送至用戶手機(jī)。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1智能網(wǎng)關(guān)模塊

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的總控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)布網(wǎng)絡(luò)之間的通信，通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)對終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理[3]。智能網(wǎng)關(guān)主要由微處理器、存儲系統(tǒng)、電源模塊、以太網(wǎng)模塊、通信模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和擴(kuò)展接口等部分組成。本系統(tǒng)采用三星的S3C6410芯片作為智能網(wǎng)關(guān)的處理芯片，它是一個16/32位的微處理器，該芯片采用ARM1176JZF-S內(nèi)核。以太網(wǎng)模塊將網(wǎng)關(guān)接入到Internet上，方便用戶實(shí)行遠(yuǎn)程控制；ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與家庭ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的通信，能夠監(jiān)控ZigBee節(jié)點(diǎn)。智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2ZigBee通信模塊

本系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的星型結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)是由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成的，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，比較適用于家庭這種小范圍的室內(nèi)場合。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收執(zhí)行協(xié)調(diào)器傳來的命令，并把采集到的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器[4][5]。

ZigBee模塊采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片提供了一個IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，使用8051CPU內(nèi)核，包含了系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530具有2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、強(qiáng)大的DMA功能等。由于其硬件設(shè)計簡單，封裝小，功耗低，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。ZigBee通信模塊是組建家庭內(nèi)網(wǎng)的基本單元，通過ZigBee通信模塊把家庭內(nèi)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計

由于本文采用的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成的，所以需要對這兩種設(shè)備分別進(jìn)行軟件設(shè)計。

1）協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器的主要功能有：網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)、與家庭網(wǎng)關(guān)的串口通信、與終端設(shè)備的無線通信、設(shè)置外出/調(diào)溫模式以及控制協(xié)調(diào)器上的電器設(shè)備。協(xié)調(diào)器是終端設(shè)備與嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信的橋梁：與終端設(shè)備通信時，協(xié)調(diào)器監(jiān)聽無線數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，將接收到的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過串口透明傳輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。與網(wǎng)關(guān)串口通信時，協(xié)調(diào)器監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，將用戶在客戶端下達(dá)的命令通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程圖如圖3所示。

2）終端設(shè)備的軟件設(shè)計

終端設(shè)備的主要功能有：掃描周圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并申請加入、采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器、執(zhí)行協(xié)調(diào)器的命令[7]。ZigBee終端設(shè)備的工作流程圖如圖4所示。

4.2Android手機(jī)控制端的軟件設(shè)計

Android手機(jī)端的主要功能有：與服務(wù)器建立連接、查詢家中情況、控制家中設(shè)備和對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行配置。手機(jī)端主要有查詢模塊、控制模塊和配置模塊，其應(yīng)用請求處理流程圖如圖5所示。5結(jié)論

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的新型智能家居檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了防盜自動報警、燈具自動控制、家庭環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制電器設(shè)備等功能。與傳統(tǒng)的智能家居相比，本系統(tǒng)價格低廉、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)、使用方便，有良好的應(yīng)用前景。

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第36卷第1期2017年3月計算技術(shù)與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7第36卷第1期2017年3月計算技術(shù)與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7