基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)研究與設計

唐磊

摘要：隨著信息技術與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡成為物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡布線不方便也不美觀，而無線網(wǎng)絡彌補了有線網(wǎng)絡的缺點，省去了有線網(wǎng)絡的布線，提供了更大的靈活性和流動性成為智能家庭系統(tǒng)網(wǎng)絡的必然趨勢，本文才用Zigbee協(xié)議實現(xiàn)智能家居的無線傳輸，進而控制家居中的各個部件，然后通過傳感器將各個參數(shù)傳入服務器內，進而達到客戶自動控制。

關鍵詞：Zigbee；智能網(wǎng)關；A8網(wǎng)關；傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0264-03

1智能家居概述

簡單地講就是把家具通過網(wǎng)絡（一般是無線網(wǎng)，如：ZigBee網(wǎng)絡、WiFi等）或者藍牙技術把家具連接起來，實現(xiàn)通過手持客戶端（手機、pad、PC）等操控家具的狀態(tài)。其核心技術，一是遠程監(jiān)控：將家用電器等電子設備接入到因特網(wǎng)，可以實現(xiàn)本地區(qū)域網(wǎng)和遠程因特網(wǎng)的監(jiān)控；二是智能控制：智能家居系統(tǒng)是集家用電器、安防報警、節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)等于一體的系統(tǒng)，當系統(tǒng)檢測到外界環(huán)境達到設定要求時，電器設備會自動執(zhí)行相應動作，達到自動控制的效果。

2 智能家居樣板間組成

2.1 樣板間通信過程

在開始安裝調試之前我們先對整個樣板間的通信流程了解一下，這樣能有一個清晰的思路，方便我們下面的工作。

（1）監(jiān)測：當傳感器收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，傳感器會將數(shù)據(jù)通過ZigBee的傳輸式傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關中的協(xié)調器，然后再由智能網(wǎng)關打包數(shù)據(jù)，轉發(fā)給服務器。服務器收數(shù)據(jù)后進行解析與計算，將最終的數(shù)據(jù)給到手機客戶端，呈現(xiàn)在客戶面前。

（2）控制：客戶通過操作客戶端來發(fā)出控制命令，服務器接收到控制命令后會將其轉發(fā)給智能網(wǎng)關，在智能網(wǎng)關中會對控制命令進行識別，若匹配，則會下發(fā)至網(wǎng)關中的協(xié)調器，再由協(xié)調器下發(fā)給執(zhí)行器節(jié)點，最后執(zhí)行器執(zhí)行相應的動作。

2.2 樣板間安裝和接線

以下是各個設備單品包含 5個探測器和3個監(jiān)測器，控制器有：PM2.5、燃氣、人體感應、CO2、煙霧；檢測器有：濕度、溫度、光照。

其中射燈、報警器和排風扇用的是電壓型繼電器，而且每個繼電器都有與之對應的版號，只有版號與型號對應之后才能安裝，這就需要先用串口線把三種繼電器在電腦中讀取其版號，然后再安裝；窗簾用的是節(jié)點型繼電器。下面所示各種設備的電路圖以及連接方式：

（1）總電源控制箱

1） 空氣開關；

2） 漏電保護器；

3） 220V接電排；

4） 公共接地排；

5） 變壓器。

由外界接入220V交流電，經(jīng)過空氣開關和漏電保護器，連接到接線排，接線排一部分接到用于插座，（電視機，DVD播放器，門禁電源控制器，空調，窗簾，排風扇），一部分用于變壓器，主要是用于給設備供電。變壓器上出來有12V和5V的直流電。

（2）門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)硬件包括有：變壓器電源控制器，電插鎖，門鈴，刷卡門禁，出門開關、門鈴開關。

門禁系統(tǒng)控制實現(xiàn)：出門開關可手動控制門禁開關。

可通過RFID刷卡操作來控制門禁打開。

門鈴開關可控制門鈴響。

可通過Zigbee遠程控制門禁開關。

門禁接線講解：門禁電源輸出12V，供給電插鎖、RFID門禁和門鈴。內外部信號有檢測輸出端發(fā)送到門禁電源PUSH端，再由門禁電源的NO、COM端發(fā)送給電插鎖的L+、L-，以實現(xiàn)門禁的開關。注意接地線都是通的，隨便接哪一個都行。

（3）燈光控制系統(tǒng)

燈光控制系統(tǒng)硬件包括有，2個LED燈，電壓型繼電器、雙控雙開開關。

燈光控制系統(tǒng)實現(xiàn)：雙控雙開開關可手動控制射燈開關，并能實現(xiàn)兩個射燈的單獨控制。

可通過Zigbee遠程控制射燈開關。

射燈接線講解：兩個射燈的接地線都接在接線排上?，F(xiàn)在這套樣板間的設備都是控制12V正極的，也就是說，它們的接地都是接在同一端的，直接接就可以。而開關控制的是12V正極的通斷。

（4）排風扇系統(tǒng)

排風扇系統(tǒng)硬件包括：排風扇，電壓型繼電器。

排風扇系統(tǒng)控制實現(xiàn)：可通過Zigbee遠程控制排風扇開關。

（5）報警器系統(tǒng)

報警器系統(tǒng)硬件包括：報警器，電壓型繼電器。

報警器系統(tǒng)控制實現(xiàn)：可通過Zigbee遠程控制報警燈開關。

（6）電動窗簾系統(tǒng)

電動窗簾系統(tǒng)硬件包括：導軌，電話線，窗簾電機，節(jié)點型繼電器， 窗簾。

電動窗簾系統(tǒng)控制實現(xiàn)： 可通過Zigbee遠程控制窗簾的開啟、閉合和暫停。

（7）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

M2.5、燃氣、人體感應、CO2、煙霧。

以上模塊安裝時只需接上5V直流電，再擰到后蓋上安裝好即可使用。

（8）紅外遙控轉發(fā)系統(tǒng)

使用此紅外轉發(fā)器來實現(xiàn)樣板間中電視、DVD、空調的控制。安裝方法與上面的幾個模塊相同。

2.3 服務器搭建

服務器的搭建過程包含以下幾個部分：分別是JDK的安裝及java環(huán)境變量的配置、Xampp安裝及配置、Mysql數(shù)據(jù)庫配置、服務器軟件SmartHomeServer安裝、配置Tomacat以及網(wǎng)關鏈接查詢注冊等。其中在文件配置過程中會遇見以下問題：

1） 在配置JDK時候讓文件直接解壓到C盤， java環(huán)境變量的時候一定配置JAVA_HOME和CLASS_PATH，然后再系統(tǒng)變量中找到Path進行編輯。

2） Xampp的安裝需要將問價解壓到根目錄下并先啟動apache和mysql 服務，如果這兩個服務啟動不起來，有兩個原因，一個是你電腦系統(tǒng)是XP，一個是你XAMPP文件夾放到了別的位置，一定要解壓XAMPP成這個樣子C：＼xampp，這樣不要變成c：＼xampp＼xampp。

3） 有時候會遇到xampp安裝不成功，這時候如果各種問題都沒有，就只能把原來的刪除重裝了。

3 嵌入式網(wǎng)關開發(fā)

3.1 嵌入式網(wǎng)關開發(fā)流程

嵌入式網(wǎng)關開發(fā)利用的是在Linux系統(tǒng)下基于C++語言開發(fā)的軟件，編寫程序所用的開發(fā)環(huán)境是Qt Creator，嵌入式網(wǎng)關開發(fā)在寫好程序后通過SDK將程序燒寫到A8網(wǎng)關中，然后鏡像移植，將文件夾“需復制到 sd 卡中的文件”中的 images 文件夾復制到 sd卡中，將燒錄好的SD卡插到A8 網(wǎng)關的SD卡卡槽中，啟動方式選擇 SD卡啟動（默認SD卡啟動按下為uboot模式啟動） ， 然后接入電源， 若聽到蜂鳴器響一聲，表示開始燒寫，等待蜂鳴器連續(xù)響兩聲，則表示燒寫完成。則可以在按一次 sd啟動開關，將啟動方式調為 uboot 模式啟動，并按復位按鈕，重啟動網(wǎng)關。（注意，內存卡不能拔出。）這里的SDK必須是格式化過的。

3.2 嵌入式網(wǎng)關開發(fā)部分代碼

5 結束語

基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)研究與設計是將整個樣板間的搭建以及開發(fā)APP放在一塊，并且在實現(xiàn)智能家居過程中通過兩個不同的開發(fā)語言實現(xiàn)同樣的功能，兩種方法各有特色。智能家居采用三層架構模式， 1）感知層：無線傳感器，也就是物體與物體的連接。2）網(wǎng)絡層：指的是網(wǎng)關。3）應用層：app的開發(fā)，QT和安卓開發(fā)； 用到的技術有：Zigbee協(xié)議，無線傳感網(wǎng)，Java開發(fā)，網(wǎng)關開發(fā)。具體流程如下：

首先需要搭建樣本間，另外進行QT開發(fā)和安卓開發(fā)，QT開發(fā)的App通過SDK運行到A8網(wǎng)關中并與協(xié)調器相連接，協(xié)調器內通過ZigBee技術，ZigBee協(xié)議有無線傳輸功能，可以直接通過傳感器獲取樣本間的單品的具體數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌髦校瑏頌榘沧坎糠珠_發(fā)的App提供數(shù)據(jù)，該過程需要路由器把各個部件組成一個局域網(wǎng)，其中安卓開發(fā)的網(wǎng)關可以把其IP寫成固定值來與QT開發(fā)的網(wǎng)關相區(qū)別，QT開發(fā)的網(wǎng)關IP地址在程序中已經(jīng)寫好了，而再與路由器連接后，路由器會自動重新分配其新的IP為了能夠不沖突保證數(shù)據(jù)順利傳輸，需要更改其IP地址與程序內相一致即可，這樣就能夠實現(xiàn)QT開發(fā)的網(wǎng)關控制門禁的開時候，可以通過安卓開發(fā)的App進行關閉，兩邊可以同時使用，以上過程看出安卓開發(fā)的App對QT開發(fā)的網(wǎng)關依賴性較強，一旦QT未完成開發(fā)時候，安卓開發(fā)的App可以通過智能網(wǎng)關進行測試，以后需要改進，讓各自互不影響更好。

參考文獻：

[1] Chipcon AS.chipcon AS SmartRF cc2420 Preliminar Datasheet[Z].Chipcon AS.2003.

[2] 周游，方濱，王普。基于Zigbee技術的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)[J].電子技術應用，2010.

[3] 林凡東，徐星.蒙智能家居控制技 [M]. 機械工業(yè)出版社，2017.

[4] 廖建尚.基于ZigBeeSimplici TI低功率藍牙Wi-Fi技術[M].電子工業(yè)出版社，2018.