武一，包春蘭

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401）

基于GSM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武一，包春蘭

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401）

適應(yīng)智能家居無線通信和遠(yuǎn)程控制的需要，設(shè)計(jì)一種基于GSM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)組建家庭內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程控制．文章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型與工作原理，就系統(tǒng)的軟硬件特點(diǎn)，給出了整套系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、易擴(kuò)展、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居系統(tǒng)中具有非常廣闊的應(yīng)用空間．

ZigBee；GSM；智能家居;CC 2430；遠(yuǎn)程控制；TC35i

智能家居網(wǎng)絡(luò)中的各類傳感器數(shù)據(jù)以及開關(guān)控制信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，所以不需要太大的傳輸速率，但是要求網(wǎng)絡(luò)的容量大、可靠性高、低功耗．為了使智能家居走進(jìn)千家萬戶，要求智能家居系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、使用方便，成本低、擴(kuò)展性好．而傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用有線組網(wǎng)，存在布線難、成本高、不易擴(kuò)展等問題，已逐漸被無線組網(wǎng)方式取代．現(xiàn)有的短距離無線通信技術(shù)包括紅外技術(shù)、家庭無線電射頻技術(shù)、IEEE802.11技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等，在家居環(huán)境下都存在著一定的局限性．ZigBee技術(shù)具有近距離、低功耗、低速率、低成本、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，滿足了智能家居低速率、低成本、低功耗、高可靠性等的要求．而能夠遠(yuǎn)程控制家居的方案也多種多樣，如Internet、GSM、GPRS等，由于手機(jī)已經(jīng)是人們不可或缺的必備通信工具，所以選擇GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制，人們可以隨時(shí)隨地對(duì)家居內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)控．

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GSM的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)，如溫度、濕度、可燃?xì)怏w的報(bào)警信息等，保證了家居環(huán)境的適宜和安全；還有對(duì)電器設(shè)備等的開關(guān)控制，如電視、空調(diào)、熱水器等．并將家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程通信．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹形和網(wǎng)狀型，星型網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔、復(fù)雜度低，非常適用于家庭的小規(guī)模短距離無線傳輸系統(tǒng)[1]，所以本設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、各種功能的終端節(jié)點(diǎn)、LCD顯示模塊和GSM手機(jī)通信模塊．終端節(jié)點(diǎn)包括可燃性氣體報(bào)警信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)、溫/濕度采集節(jié)點(diǎn)及各種控制節(jié)點(diǎn)．

系統(tǒng)總體功能主要包括家居環(huán)境信息檢測(cè)和家居設(shè)備的控制，并且用戶可以通過手機(jī)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)家電的控制，環(huán)境信息如溫度、濕度、可燃性氣體報(bào)警信號(hào)等；家居設(shè)備如燈、電視、空調(diào)、熱水器等．

協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，形成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)[2]．隨后協(xié)調(diào)器將作為智能家居系統(tǒng)的總控制器，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中，協(xié)調(diào)器將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將數(shù)據(jù)通過LCD顯示；若存在報(bào)警信號(hào)，則協(xié)調(diào)器通過GSM模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息．用戶可以通過手機(jī)或鍵盤發(fā)送控制命令給控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)控制．

終端節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)．終端節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的觸角，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集家居環(huán)境信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器處理．可燃性氣體傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)家居環(huán)境中的可燃性氣體濃度是否超標(biāo)，若超標(biāo)，該節(jié)點(diǎn)一方面驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，一方面向協(xié)調(diào)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)；溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，傳輸給協(xié)調(diào)器顯示且供用戶查詢．控制節(jié)點(diǎn)接受來自協(xié)調(diào)器的命令，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制．每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)置為睡眠模式[3]，在沒有數(shù)據(jù)采集、發(fā)送時(shí)進(jìn)入休眠，節(jié)省功耗，延遲使用壽命．

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The structuremodelof system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用無線龍出產(chǎn)的C51RF-3系列的無線模組．C51RF-3包含多個(gè)ZigBee模塊和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板，擴(kuò)展板中攜帶LCD、鍵盤、串口等相關(guān)電路．ZigBee模塊是協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的核心電路，采用TI公司的CC2430芯片，它在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器．?dāng)U展板和一個(gè)ZigBee模塊組成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由電源供電．這里重點(diǎn)介紹終端節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)．本設(shè)計(jì)中傳感器采用溫濕度傳感器DHT11、可燃性氣體傳感器MQ-5模塊．控制節(jié)點(diǎn)的采用繼電器電路．

發(fā)現(xiàn)式數(shù)學(xué)中，估算占了較大比重；例如估計(jì)9245×5的大致結(jié)果.盡管估算有它的用途，尤其在檢驗(yàn)答案時(shí)；但學(xué)習(xí)各種估算方法所花費(fèi)的時(shí)間和精力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了從中得到的收益.畢竟，求得準(zhǔn)確結(jié)果更為重要，需要更多練習(xí)；估算只是輔助性的；占據(jù)過大的篇幅屬本末倒置.

2.1 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器DHT11通過一根數(shù)據(jù)線DATA與CC2430芯片的P0.0連接，將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過串行方式送至CC2430芯片．溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)電路圖如圖2所示．

2.2 可燃性氣體傳感器節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)

可燃性氣體傳感器MQ-5模塊中D0是數(shù)字開關(guān)輸出引腳，A0是模擬量輸出引腳．當(dāng)氣體濃度超出閾值時(shí)，D0輸出低電平，A0輸出的電壓隨氣體的濃度逐漸增大．本設(shè)計(jì)將模塊的D0引腳與CC2430的P0.1引腳連接，檢測(cè)是否有低電平輸出，即檢測(cè)氣體濃度是否超出閾值．CC2430的P0.3引腳連接蜂鳴器電路，當(dāng)氣體濃度超出閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，達(dá)到報(bào)警的目的．可燃性氣體傳感器節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示．

圖2 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)電路Fig.2 The circuitdiagram of temperatureand humidity sensornode

圖3 可燃性氣體傳感器節(jié)點(diǎn)電路Fig.3 The circuitdiagram of combustible

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)選擇IAR開發(fā)環(huán)境，因?yàn)閆igBee協(xié)議棧是半開源代碼，所以本系統(tǒng)只需要在各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議棧Z-stack2006的應(yīng)用層中添加代碼，即可實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和無線通信．

ZigBee設(shè)備類型有3種：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)．由于本設(shè)計(jì)中采用星型網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)中只存在一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)議棧根據(jù)其設(shè)備類型選擇不同的網(wǎng)絡(luò)配置文件來啟動(dòng)設(shè)備．終端節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信．

3.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.4 The flow chartof coordinatornode

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心同時(shí)也是智能家居系統(tǒng)的主控制器．協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖4所示．設(shè)備上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，設(shè)備根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)配置文件選擇設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行能量檢測(cè)和信道選擇（默認(rèn)信道為11），然后申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)建立．網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)設(shè)備64位IEEE地址給設(shè)備分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址和PAN標(biāo)識(shí)符來啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)．網(wǎng)絡(luò)建立成功后，等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的加入網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)進(jìn)行響應(yīng)，反饋給終端節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息，并且分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址．隨后協(xié)調(diào)器偵聽所有無線信道，若有數(shù)據(jù)則接受數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理．協(xié)調(diào)器同時(shí)還檢測(cè)串口有無控制/查詢命令信息，若串口傳來控制/查詢命令信息，協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器接收查詢命令并將所查詢的信息反饋給GSM模塊，由GSM模塊將此信息發(fā)送至用戶手機(jī)．

3.1.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)過程和協(xié)調(diào)器啟動(dòng)過程類似，但兩者的網(wǎng)絡(luò)配置文件不同．終端節(jié)點(diǎn)上電進(jìn)行初始化，掃描信道尋找網(wǎng)絡(luò)，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)則請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)．協(xié)調(diào)器收到加入請(qǐng)求后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層發(fā)送加入確認(rèn)信息，終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)且已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)．

本設(shè)計(jì)中終端節(jié)點(diǎn)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，借助ZigBee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；可燃性氣體傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)傳感器輸出的電平，若為低電平則向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息，否則繼續(xù)等待信號(hào)采集．終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待定時(shí)器喚醒；若發(fā)送失敗，則繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)送成功為止．控制節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后則是時(shí)刻偵聽信道，接收來自協(xié)調(diào)器的控制命令并執(zhí)行此命令．終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示．

3.2 GSM模塊軟件設(shè)計(jì)

GSM模塊主要作用是向用戶手機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息和報(bào)警信息，接收來自手機(jī)的控制命令．所以GSM模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是短信的收發(fā)程序設(shè)計(jì)，GSM模塊的通信全部采用AT指令完成．

目前，發(fā)送短消息常采用Text和PDU（ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）模式[4]．使用Text模式收發(fā)短消息代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短消息；而PDU模式不僅支持中文短消息，也能發(fā)送英文短消息，所以本設(shè)計(jì)采用PDU模式收發(fā)短消息．

圖5 終端節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5 The flow chartof Terminalnode

GSM模塊使用之前必須進(jìn)行初始化，初始化包括串口通信，設(shè)置串口通訊波特率，SIM卡的狀態(tài)查詢、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、設(shè)置短消息的收發(fā)模式等[5-6]．初始化結(jié)束允許收發(fā)短信息．

3.2.1 發(fā)送短消息

發(fā)送短消息的主要工作是將發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的編碼，然后是將發(fā)送所用的SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、有效時(shí)間和編碼后的短信內(nèi)容按照PDU的格式發(fā)送出去．短消息的發(fā)送流程如圖6所示．

3.2.2 接收短消息

接收短消息就是協(xié)調(diào)器讀取SIM卡中短消息的過程．用戶手機(jī)發(fā)送短消息到GSM模塊后，短消息存儲(chǔ)在SIM卡中，協(xié)調(diào)器首先讀取SIM卡中的新消息，然后分析短消息的PDU格式，從PDU格式中獲取短消息的編碼方式，對(duì)短消息進(jìn)行解碼，協(xié)調(diào)器根據(jù)短消息內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的操作．接收短消息的流程如圖7所示．

圖6 短消息的發(fā)送流程圖Fig.6 The flow chartofshort message sending

圖7 短消息的接收流程圖Fig.7 The flow chartof short message receiving

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

如圖8所示，協(xié)調(diào)器上電啟動(dòng)，分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)．等待終端節(jié)點(diǎn)的加入和數(shù)據(jù)的收發(fā)．

如圖9所示，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將這些數(shù)據(jù)經(jīng)LCD顯示．如圖顯示了終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備ID和溫濕度數(shù)值．

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)和GSM的智能家居系統(tǒng)．該系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee技術(shù)組成星型網(wǎng)絡(luò)，使各種家居設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，能夠?qū)揖迎h(huán)境和設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化．系統(tǒng)將家庭內(nèi)網(wǎng)通過串口連接GSM網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠通過手機(jī)監(jiān)控家居環(huán)境和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制．該系統(tǒng)安裝方便、使用簡(jiǎn)單、容易擴(kuò)展，用戶可根據(jù)自己的需要設(shè)置不同的終端節(jié)點(diǎn)．系統(tǒng)滿足了小型家庭的低功耗、低成本的需要，讓智能家居走進(jìn)千家萬戶．

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)狀態(tài)Fig.8 The startup state of coordinator node

圖9 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并顯示Fig.9 The coordinatornode receive and display the data from the term inalnode

[1]冉彥中，曹婧華．Zigbee協(xié)議星型組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（2）：101-102．

[2]賀安坤，張亮．基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（9）：168-169．

[3]陳龍濤，羅桂娥．基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（20）：100-102．

[4]張?jiān)隽?，郁曉慶．基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家庭智能監(jiān)控器[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（9）：8-10．

[5]郭穩(wěn)濤，何怡剛．智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（9）：2109-2112．

[6]高明明，惠曉威．基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的研究[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2010（34）：79-81．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Design ofsmarthomesystem based onGSM and zigbee technology

WU Yi，BAOChun-Lan

(School of Inform ation Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Tomeet the needs of the wireless communication and the remote control of the smart home,a smart home system based on GSM and ZigBee technology isdeveloped.The system use ZigBeew ireless communication technology constructs thew ireless network of smarthome,and remote control is achieved by GSM network.Thispaperexpounds theoverallstructuremodelof thesystem and theworking principleof thesystem,based on thecharacteristicsof hardware and softw are,givesa detailed design scheme of the system;The experimentshows that the system has characteristics of low pow er consum ption,high reliability,good expansibility,easy to useand so on,which alsohasvery broad app lication space in smarthome.

zigbee;GSM;smarthome;CC2430;remote control;TC35i

TN 92

A

1007-2373(2014)01-0015-04

2013-09-28

武一（1964-），女（漢族），教授．