基于ZigBee和Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)*

徐繼寧，張暕，胡敦利（北方工業(yè)大學現(xiàn)場總線及自動化北京市重點實驗室，北京100144）

根據(jù)ZigBee技術及家庭控制網(wǎng)絡通信的特點，設計出由ZigBee無線節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關組成的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中引入多種傳感器采集環(huán)境信息，能夠遠程控制家電設備，用戶能通過手機APP和短信息方式查看系統(tǒng)信息并接收報警。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡

0　引言

科技的進步以及人們物質(zhì)生活水平的提高，逐漸推動了智能家居概念的出現(xiàn)?，F(xiàn)在，身為物聯(lián)網(wǎng)的十大應用領域之一，智能家居的應用與生活息息相關。各種無線通信技術的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的智能化和遠程控制成為一種現(xiàn)實［1］。對于家庭網(wǎng)絡通信而言，傳輸數(shù)據(jù)量小，在傳輸速率上要求不高，網(wǎng)絡容量大，家電設備多，所以要求信息實時性好、時延短、成本低［2］。ZigBee作為一種新興無線網(wǎng)絡通信技術，它的低成本、低功耗和較寬的覆蓋范圍，使其應用在智能家居領域具有很大的優(yōu)勢［3］。針對目前市場上的智能家居產(chǎn)品結構復雜、通用性能不強及用戶體驗不佳等問題，本文設計并實現(xiàn)了一種更為完善的智能家居系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)整體方案設計

1.1系統(tǒng)構成

智能家居系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關、ZigBee模塊、GSM/GPRS模塊、Wi-Fi模塊、液晶觸摸屏、各類傳感器以及手機軟件終端等組成。家庭網(wǎng)關是整個系統(tǒng)的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負責無線采集和控制網(wǎng)絡的鏈接、數(shù)據(jù)的分析以及指令的下達；ZigBee各模塊則是采集環(huán)境信息并根據(jù)指令對底層設備進行控制。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　智能家居系統(tǒng)總體框圖

用戶可通過遠程網(wǎng)絡或者手機軟件把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關，由ZigBee協(xié)調(diào)器對下面負責環(huán)境信息采集或控制家電的各個ZigBee模塊進行控制，家庭網(wǎng)關也能通過GPRS或Wi-Fi向手機軟件反饋設備運行狀況和采集到的數(shù)據(jù)。當設置在家中的傳感器探測到有異常情況時，不僅家中的報警器會開始報警，系統(tǒng)還會通過GSM/GPRS模塊向用戶的手機發(fā)送報警短信。

1.2ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結構主要有3種：星形、樹形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結構簡單，成本低，但是通信會受到距離的限制，覆蓋范圍?。粯湫尉W(wǎng)存在路由，所以覆蓋范圍比星形網(wǎng)要大，但是一旦某個路由發(fā)生故障，與其相連的節(jié)點就會從網(wǎng)絡中斷開；網(wǎng)形網(wǎng)結構較復雜，覆蓋范圍大，可靠性能較高。

居住面積不大的家庭用星形網(wǎng)有較高的性價比，如果居住面積較大則用網(wǎng)形網(wǎng)絡會有更好的效果。本智能家居系統(tǒng)選用星形網(wǎng)絡建立拓撲結構。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1家庭網(wǎng)關主控制器

本智能家居系統(tǒng)的設計中，網(wǎng)關主控制器的控制芯片采用了三星公司的S3C6410，它是16/32位RISC微處理器，采用ARM1176JZF-S內(nèi)核，主頻達到667MHz，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求。S3C6410支持最大分辨率為1 024×1 024的TFT24 bit LCD屏，具有2路IIC、4路UART以及全功能的SPI，它還有兩個PCM Audio接口、兩個USB接口和SD/MMC接口，可以非常方便地進行外圍擴展。S3C6410價格低、性能高且功耗低，完全符合本設計要求。在添加了電源模塊、GSM/GPRS模塊、觸摸屏以及Wi-Fi模塊等外圍電路后，便組成了家庭網(wǎng)關主控制器。網(wǎng)關內(nèi)核心模塊關系圖如圖2所示。

圖2　網(wǎng)關核心模塊關系圖

2.2ZigBee模塊

本設計中ZigBee模塊分為射頻收發(fā)模塊和底層控制板兩個部分。

射頻收發(fā)模塊采用美國德州儀器公司的CC2530芯片作為控制芯片。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網(wǎng)絡節(jié)點，能夠友好地支持低功耗無線通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個8位撥碼開關輸入、2路數(shù)字量輸入、2路數(shù)字量輸出、1路模擬量輸入、1路模擬量輸出以及1個IIC總線接口。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過RS232串口與家庭網(wǎng)關相連接。底層控制板的通用性良好，根據(jù)8位撥碼開關可選擇自身的功能，用戶能夠根據(jù)需求對底層的節(jié)點進行擴展。

2.3GSM/GPRS模塊

本設計中采用了晨訊科技的GSM/GPRS模塊SIM300。SIM300是小體積即插即用模組中完善的GSM/GPRS解決方案，它內(nèi)嵌強大的 TCP/IP協(xié)議棧，能夠以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動附著在GPRS網(wǎng)絡上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)遠端用戶設備和控制中心的數(shù)據(jù)［4］。網(wǎng)關通過RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話、發(fā)短信。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計包含3個部分：網(wǎng)關控制部分、Zig-Bee網(wǎng)絡部分以及手機應用軟件。系統(tǒng)軟件結構圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件結構圖

3.1網(wǎng)關主控制器的程序設計

網(wǎng)關主控制器采用Linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。它的驅動程序非常豐富，支持多任務及各種主流的硬件設備，用戶可以根據(jù)自己的需求對它進行修改。

網(wǎng)關初始化之后可以接收來自手機端和觸摸屏的命令及ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，之后根據(jù)命令和對數(shù)據(jù)分析的結果通過ZigBee協(xié)調(diào)器向底層設備發(fā)送控制指令，并將底層設備的運行狀態(tài)通過Wi-Fi發(fā)送至手機軟件。網(wǎng)關的主程序流程圖如圖4所示。

圖4　網(wǎng)關主程序流程圖

3.2ZigBee模塊的程序設計

ZigBee模塊的程序包含了協(xié)調(diào)器和子節(jié)點兩個部分。

協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡的核心，負責整個ZigBee網(wǎng)絡的建立、節(jié)點之間信息的傳遞以及和家庭網(wǎng)關交換數(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)器在初始化之后開始自動掃描，若有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器會檢查該節(jié)點是否入過網(wǎng)，若是沒有，協(xié)調(diào)器會給該節(jié)點分配一個16位的網(wǎng)絡地址和節(jié)點編號并在節(jié)點地址表中增加該節(jié)點的信息。協(xié)調(diào)器會收集子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按設定好的周期和數(shù)據(jù)格式將其送至家庭網(wǎng)關；家庭網(wǎng)關向協(xié)調(diào)器傳達命令后，協(xié)調(diào)器通過分析再將命令轉發(fā)至相應的節(jié)點。協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖5所示。

圖5　協(xié)調(diào)器程序流程圖

子節(jié)點由環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安防報警和家電控制3個類型組成。子節(jié)點初始化之后向協(xié)調(diào)器申請入網(wǎng)，申請通過后會被分配一個網(wǎng)絡地址和一個獨有的編號，接著子節(jié)點會開始與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)信息交換。環(huán)境采集節(jié)點通過傳感器周期性地采集溫濕度、光照度以及空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器，若是某一數(shù)據(jù)超過了設定范圍，便會發(fā)出相應的設備控制命令使之回到設定范圍內(nèi)。安防報警節(jié)點則包含玻璃破碎、煙霧、二氧化碳濃度、燃氣、紅外對射等傳感設備，當某一節(jié)點觸發(fā)了報警信息，則該節(jié)點會將此信息上傳至協(xié)調(diào)器并啟動警報。家電控制節(jié)點會將其連接的家電運行狀況上傳至協(xié)調(diào)器，并通過網(wǎng)關和協(xié)調(diào)器的控制命令對家電進行控制。

3.3應用控制軟件的設計

本系統(tǒng)的應用軟件便是基于Android系統(tǒng)設計的，開發(fā)平臺為Eclipse。手機軟件包含界面美化、系統(tǒng)模式切換、報警短信接收設置、節(jié)點信息查看以及家電控制幾個部分。軟件界面設計盡可能簡單、美觀且人性化，軟件截圖如圖6所示。

圖6　手機軟件截圖

其中，系統(tǒng)模式分為離家/在家、白天/夜晚和正常/睡眠6種。當選擇離家模式時，系統(tǒng)會將所有的安防報警節(jié)點全部啟用，并在觸發(fā)報警后將報警短信發(fā)送至設定好的手機號碼；選擇在家模式時，系統(tǒng)會部分布防并通過警報器來報警；白天/夜晚模式通過光照度來自動切換，系統(tǒng)也會根據(jù)光照度來對窗簾進行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應燈開始啟用，并且設定為弱光避免刺激眼睛。

通過Wi-Fi與家庭網(wǎng)關進行連接，用戶不僅可以根據(jù)設定在手機軟件上分房間查看各節(jié)點設備的工作狀況和采集到的數(shù)據(jù)，而且還能直接通過手機軟件對接入系統(tǒng)的家電進行控制。

4　系統(tǒng)模擬測試

將設計好的系統(tǒng)搭建在一個小屋當中，硬件全部開啟之后打開手機軟件連接Wi-Fi并登入系統(tǒng)。子節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)在觸摸屏和手機上都能查看到，并且通過觸摸屏和手機下達的指令能夠很好地執(zhí)行；模式切換時節(jié)點工作無異狀，安防報警正常工作。經(jīng)過24小時測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，各項性能也都符合設計的要求。實際搭建好的系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　搭建好的系統(tǒng)

5　結論

本文設計了一種基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的整體構架，給出了硬件設備和軟件的實現(xiàn)方法。相對于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)而言，本設計結構簡單、成本較低、便于擴展且避免了復雜的布線問題；同時因智能手機軟件的加入，使整個系統(tǒng)的操作變得更加便利，用戶體驗度提高?；赯igBee底層控制板的通用性，用戶能夠根據(jù)需求改變節(jié)點的功能，更加人性化?？傮w來說，本系統(tǒng)具有良好的實用性、穩(wěn)定性和安全性，很適合在家庭、公司等場合使用。

［1］李新春，趙雙華.基于ARM與GPRS的家庭智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機系統(tǒng)應用，2010，19（5）：227-229.

［2］徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設計［J］.電子技術應用，2013，39（8）：80-83.

［3］CHALLOO R，OLADEINDE A，YILMAZER N，et al.An overview and assessment of wireless technologies and coexistence of ZigBee，bluetooth and Wi-Fi devices［J］.Procedia Computer Science，2012（12）：386-391.

［4］陳滟濤，楊俊起，康潤生，等.基于SIM300的短信傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與科學，2008，30（3）：156-158.

Smart home system based on ZigBee and Wi-Fi

Xu Jining，Zhang Jian，Hu Dunli
（Beijing Key Laboratory of Fieldbus Technology and Automation，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Considering the characteristics of ZigBee technology and home networking communications，this paper presents a smart home system design and implementation based on the ZigBee network equipment and embedded gateway composition.The designed system utilizes several sensors to collect environmental information，and controls household appliances remotely to modify environmental information.Users can also view system information via intelligent terminal software，receiving alarm messages by phone.

Internet of Things；smart home；ZigBee；wireless sensor networks

TP29

A

1674-7720（2015）12-0057-03

2015-01-17）

徐繼寧（1970-），女，副教授，碩士生導師，主要研究方向：控制理論應用、信號測試分析、現(xiàn)場總線應用技術及物聯(lián)網(wǎng)應用。

張暕（1987-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術應用。E-mail：tenkawa-akito@163.com。

胡敦利（1967-），女，副教授，碩士生導師，主要研究方向：現(xiàn)場總線技術、智能控制和物聯(lián)網(wǎng)應用。

國家自然科學基金項目（ 61174116 ） ；北京市專業(yè)綜合改革項目（ PXM2014_014212_000033 ）