安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周正貴

1.緒論

隨著計算機(jī)、電子通信等技術(shù)的不斷發(fā)展。信息化、智能化、控制化已經(jīng)深入到人們家居生活中。智能家居是指利用電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等，使得家居環(huán)境中的各種設(shè)備能夠自動控制且能夠受上位機(jī)遠(yuǎn)程控制等功能。智能家居的應(yīng)用讓人們的生活舒適性提高、安全性提升等優(yōu)點(diǎn)，大大提升了生活質(zhì)量[1]。

當(dāng)前我國智能家居的應(yīng)用尚處在初步應(yīng)用階段，國內(nèi)頂尖的電子通信類公司已開始建立統(tǒng)一的智能家居應(yīng)用規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為下一步大力推廣應(yīng)用鋪墊了堅實(shí)的基礎(chǔ)。國外智能家居的應(yīng)用比較普片，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動下，可以較為方便的把物與物之間連接起來，通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)使得家居信息可視化，進(jìn)而達(dá)到閉環(huán)控制的效果[2]。目前家居系統(tǒng)應(yīng)用成本還較高，隨著通信技術(shù)的發(fā)展、電力載波技術(shù)的成熟應(yīng)用等，我國智能家居成品的應(yīng)用市場巨大。

目前市場上大多智能家居產(chǎn)品是某個模塊的成品，如廚房信息檢測模塊，沒有集成整個家居環(huán)境中的所有信息；有些產(chǎn)品是靠電力載波信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)間的相互交換，造成了安裝、維修等較為困難，同時信號傳輸還受到電力信號的干擾。本文通過在每種受控終端安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)，建立MESH網(wǎng)絡(luò)，使得整個系統(tǒng)組網(wǎng)方便、信號傳輸穩(wěn)定、功耗低、數(shù)據(jù)流量小、節(jié)點(diǎn)加入離開網(wǎng)絡(luò)方便等特點(diǎn)，符合當(dāng)前應(yīng)用的前提，具有較高的開發(fā)價值[3]。

2.智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計

目前市場上所銷售的智能家居系統(tǒng)中大多是針對某一個方面而開發(fā)的產(chǎn)品，如安防系統(tǒng)、燃?xì)鈭缶到y(tǒng)等。本文通過對家居中的各種系統(tǒng)進(jìn)行整合，使得家居中的多數(shù)受控信息集成在一起，利用遠(yuǎn)程的上位機(jī)可以方便的控制家居中的設(shè)備，符合未來家庭的生活需求，具有較大的利用開發(fā)價值。系統(tǒng)具有的特點(diǎn)有：(1)采用ZigBee技術(shù)使得系統(tǒng)易于安裝，不需布線等工序，脫離了有線的限制，整體架構(gòu)靈活性搞；(2)系統(tǒng)采用Android平板操作界面，用戶可以實(shí)時觀察所有設(shè)備工作情況，且能夠發(fā)送控制指令，具有良好的操作性能；(3)系統(tǒng)集成性能強(qiáng)，通過WIFI或移動通信網(wǎng)絡(luò)可與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通信，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能；(4)功能可擴(kuò)展性，對ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)的程序改進(jìn)可以方便定制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用功能，且家庭設(shè)備很容易加入該網(wǎng)絡(luò)。智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如2-1所示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析如下：(1)家居環(huán)境信息檢測。主要是檢測環(huán)境信息量，包含有溫度、濕度、光照強(qiáng)度等。(2)廚房信息檢測模塊。主要檢測量含有火焰信息、可燃?xì)怏w含量等信息。(3)家用電器控制模塊。主要含有控制彩電、冰箱、空調(diào)、照明燈等控制模塊。(4)安防控制模塊。主要含有圖片信息獲取、門窗自動打開報警、紅外報警等模塊。(5)家庭內(nèi)部總控制器。為家庭內(nèi)部所有信息顯示上位機(jī)模塊，能夠接收每個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)且送到顯示器上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，同時能夠控制各模塊的工作，且能夠通過移動通信或其他無線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程的上位機(jī)通信，即上位機(jī)發(fā)送控制指令能夠控制家居系統(tǒng)的各模塊的工作情況。

3.智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計

在智能家居系統(tǒng)中，需要利用傳感器采集家居環(huán)境中較多的環(huán)境參數(shù)，傳感器采集的信息需送給單片機(jī)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給家庭網(wǎng)絡(luò)總控制器。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的功能，本文家庭局域網(wǎng)內(nèi)部采集信號節(jié)點(diǎn)采用基于CC2530芯片設(shè)計控制模塊終端，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。TI公司的CC2530芯片，內(nèi)部集成了8位單片機(jī)處理器，具有無線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，應(yīng)用廣泛。基于CC2530芯片的電路結(jié)構(gòu)主要包含有電源電路、復(fù)位電路、按鍵及顯示電路、無線收發(fā)電路、各種傳感器接口電路。

終端節(jié)點(diǎn)硬件電路需留出傳感器接口電路，不同類型的傳感器均可與之連接，如家居環(huán)境信息中的溫濕度、光照強(qiáng)度傳感器等；廚房信息檢測模塊用到的可燃?xì)怏w傳感器等；安防控制模塊中的紅外傳感器等。

家用電器控制模塊硬件電路設(shè)計如圖3-2所示。該模塊的設(shè)計采用基于CC2530芯片設(shè)計。當(dāng)無線模塊收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令后，經(jīng)CC2530內(nèi)單片機(jī)的處理，解析出是否要驅(qū)動繼電器閉合或斷開，以此達(dá)到控制家用電器電源的通斷。這里的繼電器的選型要根據(jù)實(shí)際受控設(shè)備電壓的大小去選擇，同時配備合適的外圍電路，達(dá)到電路工作穩(wěn)定的目的。

家庭內(nèi)部總控制器平臺的設(shè)計采用可運(yùn)行Android系統(tǒng)的芯片設(shè)計。內(nèi)部總控制器平臺由觸摸屏顯示模塊、ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、WIFI收發(fā)模塊等組成。通過觸摸屏可以觀察到家庭的環(huán)境信息、廚房信息、安防信息等，且能夠與遠(yuǎn)程的上位機(jī)(手機(jī)、遠(yuǎn)程電腦等)進(jìn)行通信，接收命令后把控制信息發(fā)送到對應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)，使得系統(tǒng)運(yùn)行智能化。

觸屏顯示模塊，可以顯示的信息如下：

顯示信息：

環(huán)境信息(溫度：***，光照輕度：***，)

廚房信息(可燃?xì)怏w含量：***)

安防信息(無人/有人)

報警指示燈

控制按鈕：

按鍵1：控制電視電源的通斷

按鍵2：控制空調(diào)1電源的通斷

按鍵3：控制空調(diào)2電源的通斷

按鍵4：控制電飯煲電源的通斷

4.智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文中所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖4-1所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時，家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有ZigBee節(jié)點(diǎn)組建成MESH網(wǎng)絡(luò)，和家庭內(nèi)部總控制器連接的ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，即該節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其他傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相互通信，且協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)把接收的信息發(fā)送到顯示屏顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)有遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送控制命令給內(nèi)部總控制器時，內(nèi)部控制對該命令進(jìn)行解析，解析的結(jié)果發(fā)送到指定的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)去驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備工作。

當(dāng)遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送控制指令到家庭內(nèi)部總控制器時，總控制器通過對接收指令的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到某個指定的受控類型。軟件控制流程圖如圖4-2所示。

圖2-1 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖3-1 采集信號節(jié)點(diǎn)電路圖

圖3-2 家用電器控制模塊硬件電路圖

圖3-3 家庭內(nèi)部總控制器圖

圖4-1 家庭網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立工作流程圖

圖4-2 接收遠(yuǎn)程受控信號軟件流程圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)在組建過程中需注意的關(guān)鍵點(diǎn)。(1)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)頻道號、信道號等參數(shù)的一致性。為了實(shí)現(xiàn)通信，同一網(wǎng)絡(luò)中的頻道號需一致，且不同類型節(jié)點(diǎn)自身的地址也應(yīng)定義。如傳感器節(jié)點(diǎn)地址可定義為：0X0123、0XABAC、0XFFAC等，每個節(jié)點(diǎn)又應(yīng)該有對應(yīng)地址編號，為了是的父節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確與之通信。(2)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備類型編碼。本應(yīng)用系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)較多，在軟件實(shí)現(xiàn)上，為了使得程序編寫方便，應(yīng)該給每個每種設(shè)備類型定義相應(yīng)字符代碼。如AABB代表傳感器節(jié)點(diǎn)、CCDD代表繼電器節(jié)點(diǎn)、AACC代表安防節(jié)點(diǎn)、BBDD代表廚房信息檢測節(jié)點(diǎn)。當(dāng)接收信息時，就可以根據(jù)判斷頭字符，判斷出事哪中類型的節(jié)點(diǎn)，判斷后，再去做進(jìn)一步處理。以此類推，傳感器節(jié)點(diǎn)有可以進(jìn)行編碼。(3)數(shù)據(jù)安全性。為了使得數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不受外界干擾，可以在每組數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)尾加上數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，校驗(yàn)方式有奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等方式，這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

5.總結(jié)

本文簡要介紹了智能家居系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前智能家居產(chǎn)品的特點(diǎn)，提出了智能家居系統(tǒng)研究的意思。系統(tǒng)涉及的技術(shù)有基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、控制算法等。通過對智能家居系統(tǒng)的研究，得到了如下結(jié)果：

(1)提出了完整的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。方案中智能家居系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，使得系統(tǒng)架構(gòu)更為簡潔，無線終端設(shè)備可多可少，最多可達(dá)到65000多個，推廣應(yīng)用方便。

(2)可視化效果好。利用android智能平板使得系統(tǒng)可視化效果好，且觸屏控制方便。

(3)系統(tǒng)功耗低?；贑C2530芯片的終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)功耗低，普通電池可以工作到大半年時間，降低了系統(tǒng)的使用成本。

(4)軟硬件電路穩(wěn)定較高?；贑C2530芯片終端節(jié)點(diǎn)，電路開發(fā)較成熟。通過對ZigBee協(xié)議棧的優(yōu)化，使得網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、功耗降低等優(yōu)點(diǎn)。

[1]劉化君.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究[J].中國新通信,2010(5).

[2]歐陽友權(quán),歐陽文風(fēng).物聯(lián)網(wǎng)的形上之思[J].求索,2010(9):182-183.

[3]徐方榮.無線智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].2010:11-13.