沈萍萍，譚 偉，秦云濤，方立剛

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

基于ZigBee協(xié)議的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈萍萍，譚 偉，秦云濤，方立剛

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

以智能家居為背景，基于ZigBee技術(shù)研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建及傳感數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)智能家居控制.通過(guò)5個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，感知監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取智能家居光照度、家居設(shè)備啟動(dòng)狀態(tài)、熱釋紅外傳感數(shù)據(jù)等，根據(jù)感知數(shù)據(jù)啟動(dòng)聲光報(bào)警器等執(zhí)行設(shè)備.通過(guò)4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接電控鎖、RFID讀卡器等執(zhí)行設(shè)備，由協(xié)調(diào)器發(fā)布命令.實(shí)踐證明，智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、安防報(bào)警等智能化效果，模擬的智能化家居系統(tǒng)具有一定的代表性.

ZigBee；智能家居；環(huán)境監(jiān)測(cè)

智能家居系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分就是智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng).本研究設(shè)計(jì)一種智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息.在這個(gè)系統(tǒng)中，人們可以獲得實(shí)時(shí)的居住環(huán)境信息，如溫度、濕度、各種有害氣體的濃度、光照強(qiáng)度、火災(zāi)信息等.同時(shí)，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其他家居設(shè)備的運(yùn)行做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當(dāng)測(cè)量到的光照強(qiáng)度高于用戶設(shè)定的一定值的時(shí)候，系統(tǒng)就將啟動(dòng)自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的馬達(dá)，自動(dòng)將窗簾關(guān)到一定程度，降低室內(nèi)的光強(qiáng)度，以適合居??；又如，當(dāng)溫度值偏低時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行工作，來(lái)增高室內(nèi)溫度等.本研究的另一個(gè)創(chuàng)新之處就是物聯(lián)終端和傳感采集裝置可將整個(gè)家庭環(huán)境中的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送至通信網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器，特別是當(dāng)出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)信息時(shí)能迅速將數(shù)據(jù)上傳，并進(jìn)行室內(nèi)的告警.用戶可以通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)終端如手機(jī)、計(jì)算機(jī)的瀏覽器或客戶端軟件登錄服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看各個(gè)子系統(tǒng)的信息，控制家居設(shè)備的運(yùn)行.因此，環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)智能家居系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵.

1 ZigBee技術(shù)介紹

智能家居系統(tǒng)采用有線技術(shù)方案時(shí)，存在系統(tǒng)布線麻煩、安裝與維護(hù)成本高、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差以及移動(dòng)性較差一系列的缺點(diǎn).而ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[2].ZigBee技術(shù)主要是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，也可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò).

ZigBee按功能分為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器、ZigBee終端設(shè)備三種.

1)ZigBee協(xié)調(diào)器是全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是3種設(shè)備中功能最全面也最復(fù)雜的一種.特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量大.發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立并且管理一個(gè)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息，并且不斷地接收下級(jí)節(jié)點(diǎn)所發(fā)來(lái)的信息.

2)ZigBee路由器也是全功能的設(shè)備，在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)分配給一定量的16位地址空間，再由其分別分配給下級(jí)節(jié)點(diǎn)使用，方便每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由的功能.

3)ZigBee終端設(shè)備是一般的簡(jiǎn)化功能設(shè)備，只能自己與上一級(jí)設(shè)備如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等.

在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時(shí)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇:星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu).

在星狀結(jié)構(gòu)中，無(wú)論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)，而路由器則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只不過(guò)在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過(guò)一級(jí)級(jí)向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去.

2 系統(tǒng)搭建環(huán)境分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)底層無(wú)線通信由多傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC組成.傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換，協(xié)調(diào)器則通過(guò)串口與PC上位機(jī)進(jìn)行通信.

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)的管理、數(shù)據(jù)的處理和對(duì)PC端的數(shù)據(jù)通信.在實(shí)踐過(guò)程中，可根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn).當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法保證網(wǎng)絡(luò)的連通性；當(dāng)區(qū)域較小時(shí)，可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，以節(jié)省系統(tǒng)資源和降低成本，而結(jié)構(gòu)只需做小許改動(dòng)即可，這也是本研究的一大改進(jìn)之處[3].

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，具有如下幾種要求，分別從軟硬件兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)[4].

1)低功耗.由于是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)很多，只能由電池供電，故要求低功耗以延長(zhǎng)使用，減少電池更換次數(shù).

2)安全性.本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則可導(dǎo)致PC判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制.如果發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)警等，故要求系統(tǒng)有較高的安全性.

3)外觀.由于要安裝在家庭各個(gè)地點(diǎn)，故要求其盡量小巧、美觀.

4)可擴(kuò)展.能根據(jù)用戶的不同需求，隨時(shí)增加或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)置.

5)程序模塊化設(shè)計(jì).可以使系統(tǒng)升級(jí)方便，以便增加節(jié)點(diǎn)時(shí)只修改其中一個(gè)模塊而其他地方無(wú)需改動(dòng).程序設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一.

2.3 系統(tǒng)搭建

以智能家居為應(yīng)用背景，選取5個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，5個(gè)感知節(jié)點(diǎn)模塊對(duì)應(yīng)信息如表1所示.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定成星型網(wǎng)，包含“協(xié)調(diào)器”、“路由”及“終端”三種網(wǎng)絡(luò)角色，其中“協(xié)調(diào)器”具備網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，“路由”具備讀取電表信息功能，“終端”具備RFID讀卡功能，其余功能實(shí)現(xiàn)符合發(fā)布的“無(wú)線組網(wǎng)通信協(xié)議”.

表1 感知節(jié)點(diǎn)信息表

3 通信協(xié)議分析

3.1 ZigBee無(wú)線組網(wǎng)通信協(xié)議

1)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)格式.

2)路由或終端數(shù)據(jù)格式.

3)上位機(jī)>協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包格式為16字節(jié)(命令包格式).

4)節(jié)點(diǎn)>協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包格式為32字節(jié)(返回包格式).

注:命令包及返回包中多字節(jié)內(nèi)容，均是低前高后存放.

3.2 ZigBee協(xié)議棧設(shè)置

利用IAR編譯環(huán)境軟件，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)角色，下載對(duì)應(yīng)Z-Stack到感知節(jié)點(diǎn)，將0號(hào)感知節(jié)點(diǎn)配置成“協(xié)調(diào)器”，1～4號(hào)感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)表1配置成“路由”和“終端”，并將這6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng).

在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，定義如圖1所示的參數(shù)設(shè)置，其中可以看出三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在ZigBee中的參數(shù)[5].

設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.STACK_PROFILE_ID默認(rèn)為ZIGBEEPRO_PROFILE，又由圖1可知，本Z-Stack協(xié)議中默認(rèn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，若要改為星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要修改STACK_PROFILE_ID為NETWORK_SPECIFIC.

圖1 ZigBee中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議規(guī)范

圖2 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 協(xié)議棧的執(zhí)行過(guò)程

在Z-Stack的軟件設(shè)計(jì)中，主要涉及到感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的代碼實(shí)現(xiàn).

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備.協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示.SampleApp_MessageMSGCB函數(shù)實(shí)現(xiàn)了該協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能.

圖3 協(xié)調(diào)器函數(shù)代碼實(shí)現(xiàn)

路由器主要功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的兒子終端設(shè)備的通訊.

終端設(shè)備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，可以睡眠或者喚醒，通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)的采集功能，分別實(shí)現(xiàn)路由器和終端設(shè)備的功能，其中通過(guò)SampleApp_MessageMSGCB函數(shù)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的讀取和設(shè)置信息功能，如圖4和圖5所示.

圖4 將節(jié)點(diǎn)定義為路由，實(shí)現(xiàn)路由功能

圖5 函數(shù)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的讀取和設(shè)置信息功能

4 數(shù)據(jù)獲取測(cè)試

4.1 SmartRF軟件介紹及設(shè)置

SmartRF即SmartRF Flash Programmer，是用來(lái)對(duì)無(wú)線單片機(jī)CC2430/31的閃存進(jìn)行編程和對(duì)ZigBee Soc芯片進(jìn)行IEEE Address(物理地址)修改的軟件.打開(kāi)SmartRF軟件后，連接好串口線及燒錄工具，此時(shí)會(huì)顯示Read IEEE，在Location中選擇Primary，在IEEE 0x中定義此傳感節(jié)點(diǎn)的物理地址.選擇文件后點(diǎn)擊ReadIEEE讀取網(wǎng)絡(luò)地址，最后點(diǎn)擊Perfrom actions燒錄.SmartRF及燒錄配置如圖6所示.

圖6 SmartRF及燒錄配置

4.2 sscom32測(cè)試軟件介紹及設(shè)置

組網(wǎng)測(cè)試采用sscom32軟件完成.sscom32主要利用串口測(cè)試工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)ZigBee協(xié)議規(guī)范，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送獲取或設(shè)置的無(wú)線通信協(xié)議命令，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信控制.在本設(shè)計(jì)中波特率設(shè)置為19200，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，其他設(shè)置為none，嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)格式設(shè)置，讀取網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果如圖7所示.

4.3 返回結(jié)果分析

圖7中讀取節(jié)點(diǎn)53表示數(shù)據(jù)采集成功；01 00表示路由器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址；30 14表示溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址；31 14表示熱釋紅外傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址；32 14表示RFID傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址；00 00表示協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址.根據(jù)以上信息所獲取的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，可以利用其對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制等.本研究是整個(gè)智能家居系統(tǒng)中的一個(gè)子部分，如圖8所示.

圖7 讀取節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信息

圖8 上位機(jī)開(kāi)發(fā)界面

5 結(jié)論

智能家居系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面，本研究主要研究感知層協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)，利用ZigBee協(xié)議棧技術(shù)，終端感知節(jié)點(diǎn)獲取到執(zhí)行器相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)協(xié)調(diào)器感知節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)或嵌入式網(wǎng)關(guān)，本研究是整個(gè)智能家居系統(tǒng)中的一個(gè)子部分，如圖8所示.在智能家居系統(tǒng)中，人們可以利用PC機(jī)或移動(dòng)終端查詢獲取到的感知數(shù)據(jù)信息(如光照強(qiáng)度、溫濕度等)[6]，用戶還能通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢家居設(shè)備狀態(tài)信息，并可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備對(duì)家居進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)，如設(shè)置特定RFID卡號(hào)實(shí)現(xiàn)門(mén)禁控制、設(shè)置噪聲強(qiáng)度、光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警器控制等，從而實(shí)現(xiàn)家居的智能化管理.

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(責(zé)任編輯:李 華)

A Design and Realization of E-home System Based on ZigBee Protocol

SHEN Ping-ping，TAN Wei，QIN Yun-tao，F(xiàn)ANG Li-gang
(School of Computer Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

This article is based on E-home and ZigBee technology and studies the establishment of wireless network and the acquisition of sensor data to realize intelligent home control.This project uses fve sensory nodes monitoring the environment data to get intelligent household light，starting status of household appliances and pyroelectric infrared sensor data.It starts the executive equipments such as sound and light alarm by the sensors，which are connected to the electric control lock，and RFID reader and other executive equipments through four terminal nodes.The coordinator gives command to realize the remote control.Research on this intelligent home system realizes automatic sense of enviroment and security alarm.It is proved that this simulated intelligent household system is a typical one.

ZigBee；E-home；the environmental monitoring

TP79

A

1008-5475(2014)04-0026-05

2014-08-02；

2014-08-30

蘇州市職業(yè)大學(xué)成果創(chuàng)新項(xiàng)目(2011SZDCC08)；蘇州市職業(yè)大學(xué)研究性課程(SZDYKC-120606)；蘇州市職業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目(3100124)

沈萍萍(1979-)，女，江蘇蘇州人，副教授，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高職教育研究.