喬季軍 王德宇 李玉琳 石坤明 施云波

(哈爾濱理工大學(xué)測控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和電子信息技術(shù)的全面普及，家庭信息化、家電網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。然而，如何實現(xiàn)低成本、低功耗、自組織、高效率的運行是智能家居系統(tǒng)設(shè)計過程中需要考慮的重要問題［1］。

在智能家居監(jiān)測區(qū)域中，需要采集、處理和控制的傳感信息有許多，有涉及安全的防盜、燃?xì)庑孤?，有涉及智能控制的廚房電器，有涉及舒適的空調(diào)、視音設(shè)備等［2］。早期的智能家居網(wǎng)絡(luò)通信方式的研究熱點主要是電力線載波［3］和有線網(wǎng)絡(luò)［4］，例如以太網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)等。近幾年，隨著藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)、WiFi 技術(shù)和ZigBee 等無線技術(shù)的發(fā)展，在家庭無線網(wǎng)路系統(tǒng)的研究中呈現(xiàn)出無線化的發(fā)展趨勢［5］。與有線相比，無線具有低成本、低功耗、自組織、高效率等特點，將成為智能家居系統(tǒng)設(shè)計的最優(yōu)解決方案。

本文設(shè)計了基于ZigBee 和WiFi 無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，采用IEEE 802.15.4 協(xié)議實現(xiàn)無線自組織、終端自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)成本低、功耗小、效率高、靈活性強等設(shè)計要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體架構(gòu)原理示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the systematic architecture

在本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)監(jiān)測過程中，利用ZigBee 自組網(wǎng)功能將家居中需要感知的各個監(jiān)測節(jié)點采集的信息匯聚于中央?yún)f(xié)調(diào)器，信息經(jīng)過中央?yún)f(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)處理，通過WiFi 與家居的計算機互聯(lián)，連入互聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)包括智能家居網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、ZigBee 采集節(jié)點、ZigBee 控制節(jié)點和WiFi 接入互聯(lián)網(wǎng)模塊。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器采用CC2530 作為主控制器，配有WiFi232 模塊，作為無線訪問節(jié)點(access point，AP)路由器與以太網(wǎng)連接，便于將ZigBee 網(wǎng)絡(luò)連入互聯(lián)網(wǎng)中。ZigeBee 采集節(jié)點負(fù)責(zé)將溫濕度、光線、煙霧、燃?xì)獾纫幌盗屑揖訁?shù)進(jìn)行采集，并上傳到用戶APP中。ZigBee 控制節(jié)點與家庭中各種家用電器相連。由于許多家用電器的位置都不是固定的，因此，這樣的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提高了系統(tǒng)的靈活性，用戶可以隨意添加或者刪除任何節(jié)點，也可以將電器放置在任何位置。

1.2 硬件電路設(shè)計

(1)ZigBee 模塊外圍電路設(shè)計。

ZigBee 模塊是系統(tǒng)組網(wǎng)和控制的核心，用來對ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置并接收ZigBee 各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后通過WiFi232 模塊將系統(tǒng)連入Internet。本文選擇了高性能、低功耗的TI 公司的CC2530 射頻芯片作為ZigBee 通信芯片，CC2530 能夠提供較高的通信鏈路質(zhì)量、較高的接收器靈敏度和較強的抗干擾性。此外，CC2530 還提供了豐富的外設(shè)，包括2 個USART、12位的ADC 和21 個GPIO。該芯片搭配TI 公司提供的ZigBee 協(xié)議棧Z -Stack2007 進(jìn)行開發(fā)，縮短了設(shè)計周期。ZigBee 模塊電路外圍設(shè)計原理示意圖如圖2 所示。

圖2 ZigBee 模塊電路外圍設(shè)計原理示意圖Fig.2 Peripheral design principle of ZigBee module circuit

(2)恒流源電路設(shè)計。

為了適應(yīng)家居中市電波動較大的特點，本文采用OPA603 運放芯片和TL431 精密穩(wěn)壓電源芯片，設(shè)計一種精度較高的恒流源電路，用于傳感器測量電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。恒流源電路原理示意圖如圖3 所示。

圖3 恒流源電路原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the constant current source circuit

(3)WiFi 模塊電路設(shè)計。

本文通過WiFi 技術(shù)無線路由實現(xiàn)家居內(nèi)網(wǎng)與Internet 外網(wǎng)互聯(lián)，選用嵌入式WiFi232 模塊，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。其硬件內(nèi)嵌一個單片機和TCP/IP 協(xié)議棧，對外提供UART 串口或者SPI 總線接口。WiFi 模塊電路原理示意圖如圖4 所示。

圖4 WiFi 模塊電路原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of WiFi module circuit

(4)ZigBee 控制節(jié)點電路設(shè)計。

ZigBee 控制模塊電路主要對家庭中各種家用電器進(jìn)行開關(guān)控制，如電燈、電飯煲、加濕器、自動窗簾等設(shè)備。通常是借助繼電器、步進(jìn)電機等電控制器件，其中，控制模塊中繼電器模塊電路原理示意圖如圖5 所示。

圖5 ZigBee 控制節(jié)點電路Fig.5 ZigBee control node circuit

1.3 通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)無線協(xié)議，適用于智能家居系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中［6］。在智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，要求整個網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、組網(wǎng)速度快、實時性高、節(jié)點可隨意添加等特點。因此，本文在ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)上采用Mash 網(wǎng)絡(luò)，Mash 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通信原理示意圖如圖6、圖7 所示。

圖6 Mash 網(wǎng)絡(luò)通信原理示意圖Fig.6 Communication principle of Mash network

圖7 Mash 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of Mash network

為了使數(shù)據(jù)幀更容易進(jìn)行編解碼，將數(shù)據(jù)幀定義為定長，為每一個字節(jié)賦予特定的功能，這樣就不需要單獨開辟一個空間來標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的長度，在程序設(shè)計時也會變得簡單，又能實現(xiàn)各種功能［7］。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)幀包括兩種類型的幀，即命令幀和狀態(tài)幀，數(shù)據(jù)幀的定義格式如圖8 所示。其中，數(shù)據(jù)域中，功能碼、命令碼和數(shù)據(jù)碼可以是用戶自定義的數(shù)據(jù)區(qū)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將此數(shù)據(jù)封裝成幀，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

圖8 數(shù)據(jù)幀定義的格式Fig.8 Definition of the data frame format

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集與控制程序設(shè)計、Mash 結(jié)構(gòu)組網(wǎng)程序設(shè)計和網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計。

2.1 Mash 組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址分配機制

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用分布式地址分配(DAAM)，為每個設(shè)備分配唯一的一個網(wǎng)絡(luò)地址［8］。DAAM 分配的地址有一定的規(guī)律性，包含了“地址-位置”對應(yīng)關(guān)系。DAAM 規(guī)定，每個父節(jié)點都擁有一段網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)父節(jié)點接收子節(jié)點入網(wǎng)時，可以將地址分配給子節(jié)點，如果這段地址已分配完，則該父節(jié)點不能再接受子節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都有深度，表示在逐級傳遞的網(wǎng)絡(luò)中，該節(jié)點傳送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器所需要的最小跳數(shù)。假設(shè)協(xié)調(diào)器作為根節(jié)點深度為0，則它的子節(jié)點深度為1，如果每個深度可容納的最大子節(jié)點個數(shù)為Cm，整個網(wǎng)絡(luò)的最大深度為Lm，每個深度可容納最大路由器的個數(shù)為Rm，由此可以算出Cskip(d)，其中d 為父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)深度，Cskip(d)為父設(shè)備所能分配的網(wǎng)絡(luò)地址段，計算公式為:

DAAM 的具體分配步驟如下。

①網(wǎng)絡(luò)初始化。網(wǎng)關(guān)節(jié)點地址為0，確定組網(wǎng)參數(shù)，然后再廣播通知全網(wǎng)絡(luò)。

②子節(jié)點發(fā)送地址請求信息。未入網(wǎng)的子節(jié)點查詢鄰居表，找出深度最小的潛在父節(jié)點，然后向其發(fā)送地址請求消息。

③父節(jié)點回復(fù)地址信息。地址為Ap的路由節(jié)點收到未入網(wǎng)節(jié)點的入網(wǎng)申請后，作為父節(jié)點，根據(jù)申請節(jié)點的類型和順序做如下地址分配。

如果申請節(jié)點為路由設(shè)備，則:

如果申請節(jié)點為終端設(shè)備，則:

式中:1≤n≤Cm-Rm。如果子節(jié)點收到父節(jié)點回復(fù)的拒絕信息，則返回步驟②，重新選擇父節(jié)點發(fā)送請求信息。

2.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器軟件的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的工作模式主要包括睡眠模式、發(fā)送模式、接收模式、命令模式［9］。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計流程如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖Fig.9 The software flowchart of gateway coordinator

在以協(xié)調(diào)器為中心的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功后，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器進(jìn)入睡眠模式。如果有相應(yīng)的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，則會通過中斷喚醒方式將協(xié)調(diào)器喚醒并進(jìn)入命令模式，進(jìn)行節(jié)點配置。當(dāng)接收到新的數(shù)據(jù)幀指令時，會通過串口中斷方式將協(xié)調(diào)器喚醒并進(jìn)入接收模式和發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至相應(yīng)節(jié)點，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.3 終端節(jié)點軟件程序的設(shè)計

終端節(jié)點成功加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)后，即進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式［10］;在收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀之后，會通過中斷喚醒方式進(jìn)入數(shù)據(jù)幀接收模式，進(jìn)行相應(yīng)的操作。ZigBee 采集節(jié)點主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)采集數(shù)據(jù)完成后，將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至協(xié)調(diào)器，等待確認(rèn)消息，如果超過最大等待時間，會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到確認(rèn)消息后，即完成本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)，再次進(jìn)入低功耗模式，等待下一次數(shù)據(jù)采集。ZigBee 控制節(jié)點主要進(jìn)行各種家用電器的實時控制。終端節(jié)點程序設(shè)計流程如圖10 所示。

圖10 終端節(jié)點軟件設(shè)計流程圖Fig.10 The flowchart of the terminal node software

系統(tǒng)采用低功耗休眠機制，節(jié)點由兩節(jié)5 號電池供電，能維持使用半年時間，平均功耗在7 ～10 mW;采用定時喚醒的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣的軟件設(shè)計大大降低了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功耗，有較強的適用性。

3 系統(tǒng)測試

3.1 ZigBee 傳輸距離的測試

傳輸?shù)木嚯x測試時以ZigBee 點對點，采用ZigBee溫度終端節(jié)點每隔1 s 發(fā)送一次溫度值，ZigBee 協(xié)調(diào)器連接計算機USB 串口接收數(shù)據(jù)。以協(xié)調(diào)器為圓心，在100 m 的范圍內(nèi)進(jìn)行測試，接收到數(shù)據(jù)為通信成功。測試結(jié)果如表1 所示。

表1 ZigBee 傳輸距離測試

測試結(jié)果表明，ZigBee 在開闊環(huán)境中的有效距離在70 m 左右，在有建筑物遮擋時有效距離在50 m左右。在小型和中型房子中基本可以直接使用，如果不能滿足需求，還可以在中間加入路由器節(jié)點來增大ZigBee 的有效傳輸距離。

3.2 傳輸數(shù)據(jù)掉包率的測試

將溫度采集節(jié)點、濕度采集節(jié)點、煙霧采集節(jié)點和光線采集節(jié)點分別用3 V 電源供電，放在房間的不同位置。計算機連接系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，打開網(wǎng)絡(luò)串口調(diào)試助手，發(fā)送采集指令并接收終端節(jié)點發(fā)送給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同的發(fā)送周期就可以調(diào)整串口發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率，從而控制數(shù)據(jù)波特率。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 傳輸數(shù)據(jù)掉包率測試Fig.2 Test of the packet loss rate of data transmission

測試結(jié)果表明，ZigBee 和WiFi 的串口傳輸可以滿足系統(tǒng)的日常要求，但在數(shù)據(jù)速率過大和傳輸數(shù)據(jù)過多時會有丟包現(xiàn)象，最大掉包率為0.02%。另外由1、3、4組的測試推測，在測試的環(huán)境下可能有干擾，使得接收字節(jié)變多，所以，在傳輸?shù)倪^程中有必要加入校驗程序。

4 結(jié)束語

本文基于ZigBee 和WiFi 無線技術(shù)設(shè)計了一種新型智能家居系統(tǒng)，采用IEEE 802.15.4 協(xié)議實現(xiàn)無線自組織、終端自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)成本低、功耗小、效率高、靈活性強等設(shè)計要求。

通過通信傳輸距離和數(shù)據(jù)掉包率的測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計基本滿足要求，并有一定的功能擴展空間。

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