基于Zigbee和微信平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

邢珍珍 楊慧炯 何昌輝

摘 要：本文針對(duì)國(guó)內(nèi)智能家居行業(yè)各類產(chǎn)品軟硬件互不兼容，系統(tǒng)復(fù)雜操作不便，缺乏統(tǒng)一交互平臺(tái)等現(xiàn)狀，提出了使用當(dāng)前國(guó)內(nèi)普及廣度大、性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單的微信平臺(tái)作為統(tǒng)一控制平臺(tái)，采用功耗低，性能穩(wěn)定，穿透力強(qiáng)的Zigbee作為無線網(wǎng)絡(luò)搭建技術(shù)，構(gòu)建多功能智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電控制、家庭環(huán)境異常報(bào)警、樓宇對(duì)講等功能的統(tǒng)一控制和管理。

關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng)；Zigbee技術(shù)；微信平臺(tái)；統(tǒng)一控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1472（2018）-11-46-03

1 引言（Introduction）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和云計(jì)算，大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)自己的居住環(huán)境有了更高的要求[1]。為了使人們生活更為便捷，智能家居、智慧生活等概念應(yīng)運(yùn)而生，然而人們?nèi)菀捉邮懿V泛使用的產(chǎn)品卻寥寥無幾。究其原因在于國(guó)內(nèi)廠商的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，軟件硬件不兼容，App種類繁多，操作控制不統(tǒng)一，缺乏人性化的用戶交互等原因，因此很難打動(dòng)消費(fèi)者，也在很大層度上阻礙了國(guó)內(nèi)智能家居行業(yè)的發(fā)展。

本文旨在完成一個(gè)簡(jiǎn)化用戶操作，改善用戶體驗(yàn)的操控平臺(tái)。通過家庭控制中心將家中的電器的設(shè)備連接在一起，相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給微信公眾平臺(tái)，用戶通過掃描家庭控制中心上的二維碼關(guān)注微信公眾號(hào)，將智能手機(jī)變成智能遙控終端，實(shí)現(xiàn)了在同一平臺(tái)上對(duì)家中設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制。減少App安裝和更新等操作。主要實(shí)現(xiàn)安防、環(huán)境參數(shù)采集、照明、家電控制、樓宇對(duì)講等功能，打造一個(gè)安全、舒適、便捷的智能家居生活環(huán)境。

2 關(guān)鍵技術(shù)及算法（Key technology and algorithm）

2.1 Zigbee技術(shù)

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。是一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、自組織、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術(shù)。與其他無線協(xié)議如wifi，藍(lán)牙等相比更加簡(jiǎn)單，成本更加低廉，能耗更低。在智能家居、智能建筑、自動(dòng)控制智能醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2-4]。

2.2 Zstack協(xié)議棧

Zstack協(xié)議棧是TI公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧軟件。在Zstack協(xié)議棧中，物理層、媒體訪問層位于最低層，且與硬件相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全層建立在物理層和媒體訪問層之上，并且完全與硬件無關(guān)。Z-Stack協(xié)議棧是半開源的，在實(shí)際應(yīng)用中底層驅(qū)動(dòng)的程序只需要調(diào)用API函數(shù)即可[5]。Zstack協(xié)議棧在各個(gè)層中，采用各自最優(yōu)的算法來解決問題，從而滿足不同條件下的通信要求。

2.3 Android

Android是一種基于Linux的半開源操作系統(tǒng)，主要用于智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備。本文基于開放的Android系統(tǒng)進(jìn)行控制終端App的設(shè)計(jì)，使用開源的SQLite結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，降低系統(tǒng)成本，為用戶提供了便利的使用條件[6]。

2.4 語(yǔ)義理解算法

語(yǔ)義理解使用廣度優(yōu)先搜索算法，以文字匹配、模糊匹配兩種方式對(duì)文字信息進(jìn)行分析，匹配出相應(yīng)的控制命令。本文通過微信開發(fā)平臺(tái)語(yǔ)音識(shí)別接口把用戶語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為文字信息，然后使用語(yǔ)義理解算法把文字信息轉(zhuǎn)化為遙控家電的命令，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音遙控家電的功能。

3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及詳細(xì)設(shè)計(jì)（System topology and detailed design）

3.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，每個(gè)用戶都由家庭控制中心、Zigbee控制節(jié)點(diǎn)、用戶微信公眾號(hào)和樓宇對(duì)講設(shè)備這幾部分構(gòu)成。每個(gè)用戶遠(yuǎn)程或者在家中，都可使用手機(jī)微信平臺(tái)進(jìn)行遙控操作。云服務(wù)器向家庭控制中心發(fā)送相關(guān)的命令來控制家中照明設(shè)備自動(dòng)打開，家里的空調(diào)自動(dòng)啟動(dòng)并調(diào)整到合適的溫度；如果有人來訪按動(dòng)對(duì)講門鈴可以通過手機(jī)和來訪人視頻對(duì)講并且選擇是否開門；當(dāng)主人外出，家中的安防設(shè)備自動(dòng)開啟，如出現(xiàn)漏氣和外人闖入時(shí)發(fā)出報(bào)警信息并快速通知主人。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

本文采用zigbee技術(shù)組成無線局域網(wǎng)負(fù)責(zé)智能家居環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，選擇微信作為手機(jī)遙控端。該系統(tǒng)基于C/S結(jié)構(gòu)，由Zigbee網(wǎng)絡(luò)、家庭控制中心、手機(jī)微信控制端、樓宇對(duì)講構(gòu)成。Zigbee傳感網(wǎng)是基于Zigbee技術(shù)的自組織網(wǎng)（用來組織所有的傳感器）。傳感器設(shè)置有溫濕度傳感器，人體紅外傳感器，可燃?xì)怏w傳感器。手機(jī)微信控制端是指開發(fā)基于微信公眾平臺(tái)的公眾號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)家中電器的遙控。

3.2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層

系統(tǒng)中采用Zigbee的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將家中的傳感器設(shè)備連接在一起組成無線局域網(wǎng)。通過編寫Zstack的OSAL層代碼，完成傳感器的初始化、信息采集、遠(yuǎn)程控制、自組網(wǎng)等工作。處于網(wǎng)絡(luò)中的Zigbee節(jié)點(diǎn)都有屬于自己的唯一標(biāo)識(shí)，每一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)都是基于Zstack的OSAL層來工作，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都可以高效有序的執(zhí)行。在Zigbee的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而他們相互之間的通信是禁止的，從而保證信息傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。此外，本系統(tǒng)中的家電控制方式采用了集成的紅外遙控模塊，通過UART發(fā)送命令的方式來進(jìn)行家用電器的控制。

3.2.2 家庭控制中心

家庭控制中心負(fù)責(zé)接收來自微信公眾平臺(tái)發(fā)送的命令并將該命令經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的zigbee節(jié)點(diǎn)?；蛘呓邮語(yǔ)igbee傳感器發(fā)來的相關(guān)數(shù)據(jù)（溫濕度、報(bào)警）經(jīng)過處理后發(fā)送到微信公眾平臺(tái)。本系統(tǒng)采用Android實(shí)驗(yàn)箱作為家庭控制中心。

家庭控制中心是服務(wù)器與Zigbee的中間媒介，主要負(fù)責(zé)傳輸、處理數(shù)據(jù)信息[7]。本程序中通過開啟一個(gè)后臺(tái)服務(wù)實(shí)現(xiàn)家電和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)家電數(shù)據(jù)有變化時(shí)，會(huì)發(fā)出通知并刷新用戶界面。

3.2.3 微信公眾平臺(tái)

微信公眾平臺(tái)主要功能有家庭溫濕度記錄、語(yǔ)音控制家電、預(yù)警消息提示及記錄、房間設(shè)置與家電綁定、情景模式的設(shè)置與執(zhí)行。該平臺(tái)采用MVC架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶交互界面與業(yè)務(wù)邏輯有效的分離[8]。微信公眾平臺(tái)設(shè)計(jì)、編碼、維護(hù)嚴(yán)格遵照微信公眾開發(fā)者文檔，采用OAuth2.0機(jī)制，使用標(biāo)準(zhǔn)的MYSQL引擎。在微信平臺(tái)和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸上，使用AJAX技術(shù)以JSON數(shù)據(jù)格式訪問PHP接口，盡可能的減小時(shí)延。

3.2.4 樓宇對(duì)講系統(tǒng)

由于微信公眾平臺(tái)未提供實(shí)時(shí)音視頻傳輸接口等原因，本系統(tǒng)采用WebRTC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)樓宇對(duì)講功能。WebRTC是一個(gè)新型的實(shí)時(shí)語(yǔ)音對(duì)話或視頻對(duì)話的技術(shù)，具有數(shù)據(jù)容錯(cuò)率高，安全性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，音視頻數(shù)據(jù)傳輸快，保真度高等特點(diǎn)。具體解決方案如下所述。

在樓宇對(duì)講的用戶端，用戶通過手機(jī)號(hào)在App上登錄，將手機(jī)號(hào)提交到服務(wù)器，手機(jī)號(hào)作為每個(gè)家庭的唯一標(biāo)識(shí)，在系統(tǒng)中使用。每個(gè)房門號(hào)都有唯一的手機(jī)號(hào)碼與其相對(duì)應(yīng)。當(dāng)有訪客來訪時(shí)，按下房門號(hào)，服務(wù)器通過邏輯分析，得出相應(yīng)的手機(jī)號(hào)，云服務(wù)器便推送通知給用戶。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（System implementation）

4.1 網(wǎng)絡(luò)遙控系統(tǒng)

通過微信平臺(tái)，系統(tǒng)提供手動(dòng)模式、情景模式，語(yǔ)音對(duì)講模式三種方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

（1）手動(dòng)模式

以房間為單位對(duì)家電進(jìn)行分類，主人需提前設(shè)置房間中對(duì)應(yīng)的家電，通過微信平臺(tái)家電遙控模塊選擇房間中對(duì)應(yīng)的家電，在彈出的遙控界面中，對(duì)家電進(jìn)行相應(yīng)的遙控，空調(diào)遙控手動(dòng)模式效果圖如圖3（a）所示。

（2）情景模式

情景模式是根據(jù)不同情景而選擇的一套遙控家電的應(yīng)答模式，主人可預(yù)先設(shè)置多個(gè)情景模式，并對(duì)不同的情景模式設(shè)置相應(yīng)的遙控家電動(dòng)作。設(shè)置好后，主人只需執(zhí)行情景模式即可自動(dòng)執(zhí)行其中對(duì)應(yīng)的多個(gè)動(dòng)作。情景模式效果圖如圖3（b）所示。

（3）語(yǔ)音對(duì)講模式

本系統(tǒng)在以上兩種遙控方式的基礎(chǔ)上增加了語(yǔ)言識(shí)別，語(yǔ)義理解功能，即主人可以在微信平臺(tái)上以文字或語(yǔ)音對(duì)話的方式，對(duì)情景模式單個(gè)家電遙控或者執(zhí)行對(duì)應(yīng)的情景模式。文本對(duì)講模式效果圖如圖3（c）所示。

4.2 安防系統(tǒng)

當(dāng)家中的環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常或有非法入侵時(shí)，包括溫濕度超出預(yù)警值、天然氣泄漏、外人闖入，家庭控制中心會(huì)向主人以微信推送的方式發(fā)送報(bào)警信息，如主人未收到消息，平臺(tái)會(huì)通過短信的方式直接通知用戶。

4.3 樓宇對(duì)講系統(tǒng)

系統(tǒng)采用插件化方式來實(shí)現(xiàn)樓宇對(duì)講功能。當(dāng)有訪客撥打?qū)?yīng)的房間號(hào)時(shí)，服務(wù)器通過邏輯分析，得出訪客撥打的房間號(hào)，繼而向主人的手機(jī)發(fā)送推送消息，用戶接通視頻對(duì)講，與訪客進(jìn)行視頻并選擇是否開門。樓宇對(duì)講的樓宇端與客戶端界面如圖5所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文闡述了以Zigbee作為無線網(wǎng)絡(luò)搭建技術(shù)，以微信作為控制平臺(tái)，構(gòu)建多功能智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)通過語(yǔ)音識(shí)別，語(yǔ)義理解完成對(duì)家電控制、樓宇對(duì)講、異常情況報(bào)警等功能的控制操作。開發(fā)成本低，操作方便，方便用戶生活，值得相關(guān)企業(yè)及人員研究與實(shí)踐。

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作者簡(jiǎn)介：

邢珍珍（1987-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

楊慧炯（1972-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：圖形圖像處理，移動(dòng)互聯(lián).

何昌輝（1994-），男，本科生.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).