張國揚，朱樹先，王 康，沈心怡

（蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州　215009）

基于ZigBee的嵌入式智能家居管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

張國揚，朱樹先，王 康，沈心怡

（蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州215009）

基于設計以ZigBee為基礎的嵌入式智能家居系統(tǒng)的目的，采用了以ARM Cortex TM-A8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片為硬件平臺，通過ZigBee自組織方式組網(wǎng)以及SQLite作為嵌入式數(shù)據(jù)庫的方法，實現(xiàn)了ZigBee通信網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、Web服務器、手機應用交互程序之間的相互通信以及對系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理，結合實際應用，此種方法設計的嵌入式智能家居系統(tǒng)有效。

智能家居；ZigBee；嵌入式網(wǎng)關；SQLite；WEB服務器

隨著人們生活水平的提高、消費觀念的轉變，以及智能家居技術的成熟、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)更加自動化、舒適化、安全化、節(jié)能化的家居生活已成為可能。目前通常把智能家居定義為利用電腦、網(wǎng)絡和綜合布線技術，通過家庭信息管理平臺將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機地結合的一個系統(tǒng)。智能家居的基本目標是為消費者創(chuàng)造一個舒適、安全、方便的生活環(huán)境。就目前的發(fā)展趨勢分析，預計在今后的幾年內(nèi)全世界將有近億的家庭構建智能、舒適、高效的家居生活。

智能家居包含3種組網(wǎng)形式：集中布線技術、X10電力載波技術、無線RF技術。其中集中布線技術雖最穩(wěn)定，但其成本高、布線復雜、工期長，而國內(nèi)X10電力載波技術存在著電網(wǎng)信號易波動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差［1］。對于無線RF技術，ZigBee無線通信技術具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全性能高的特點，主要應用于自動控制和遠程控制領域；以直序擴頻技術提高抗干擾能力與數(shù)據(jù)傳輸可靠性；采用自組織方式組網(wǎng)，傳輸距離在110 m左右，但是通過靈活的網(wǎng)絡結構可以增加傳輸距離。綜上所述，ZigBee無線通信技術非常適合家庭內(nèi)部組網(wǎng)，并且使智能家居系統(tǒng)更加安全與智能，因此，本系統(tǒng)采用 ZigBee無線通信技術進行智能家居的組網(wǎng)。

1　系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)綜合了以往智能家居系統(tǒng)的優(yōu)點，從新的角度出發(fā)設計一個完整的智能家居系統(tǒng)，考慮到實用性與良好的用戶體驗，該系統(tǒng)的具體功能如下。1）居住模式的一鍵選擇：一鍵選擇居家模式、睡眠模式、離家模式等居住模式，在每個模式下可以設定相應的預設值，從而優(yōu)化用戶體驗，具有簡化操作的特點。2）家用電器的綜合監(jiān)控：對系統(tǒng)內(nèi)的相關家用電器的設置參數(shù)進行自動檢測，可根據(jù)檢測結果做出相應的反應，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)家居電器的監(jiān)控。3）室內(nèi)環(huán)境的信息采集：定期采集室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，主要監(jiān)測濕度、溫度、CO2含量，并將采集到的環(huán)境傳遞到控制系統(tǒng)進行進一步處理。4）自動報警與安全防盜：當檢測到的環(huán)境參數(shù)超出設定的閥值，或通過人臉識別系統(tǒng)監(jiān)測到陌生人未經(jīng)允許入室，控制系統(tǒng)會做出相應的反應，并將警報信息發(fā)送到家庭成員的客戶端上。5）視頻采集的點對點處理：采用P2P網(wǎng)絡，實現(xiàn)監(jiān)控設備的視頻采集、壓縮與解壓縮處理、快速傳送。

2　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由ZigBee通信網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、Web服務器、手機應用交互程序和數(shù)據(jù)庫SQLite5個部分組成，系統(tǒng)組成結構圖如圖1所示。其中ZigBee通信網(wǎng)絡作為內(nèi)網(wǎng)通信使用，用于家庭內(nèi)部各種家電設備互聯(lián)；網(wǎng)關負責家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)的連接和和協(xié)議轉換，使用戶可以通過外部網(wǎng)絡對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡中的設備進行遠程監(jiān)控［2］；WEB服務器實現(xiàn)信息的遠程信息與本地信息之間的相互交換；手機應用交互程序實現(xiàn)居住模式的一鍵選擇、家用電器的參數(shù)顯示、室內(nèi)環(huán)境的信息顯示、自動報警信息的接收、視頻采集的點對點處理；SQLite數(shù)據(jù)庫負責家用電器狀態(tài)數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、用戶動作數(shù)據(jù)的存儲。

圖1　系統(tǒng)組成結構圖Fig．1　The structure of system composition

2.1ZigBee無線通信網(wǎng)絡

ZigBee無線通信網(wǎng)絡主要有兩個作用，其一為檢測各環(huán)境參數(shù)，并將其傳遞到服務器上，經(jīng)過服務器分析之后，發(fā)送指令從而打開或關閉監(jiān)控點，達到智能控制的目的；其二為對家庭內(nèi)部各部分的遠程控制，如室內(nèi)的燈光、溫濕度、電器、安防警報等。

網(wǎng)絡拓撲結構主要有星形結構、樹形結構和網(wǎng)絡結構3種，考慮到網(wǎng)絡的傳輸速率以及穩(wěn)定性等，本系統(tǒng)采用樹形結構作為家居設備節(jié)點的網(wǎng)絡構架。樹形結構的網(wǎng)絡連接方式是在星形結構基礎上進一步拓展起來的，樹形結構中設計了轉發(fā)節(jié)點，主節(jié)點和各子節(jié)點間的通信依靠轉發(fā)節(jié)點作為中繼，每個轉發(fā)節(jié)點和它對應的葉子節(jié)點構成一個子星形拓撲結構［3］。

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信網(wǎng)絡由協(xié)調器、路由節(jié)點、終端節(jié)點組成，其結構如圖2所示。其中協(xié)調器為樹形拓撲結構的主節(jié)點，路由節(jié)點為樹形拓撲結構的轉發(fā)節(jié)點，作為通信轉發(fā)的中繼，終端節(jié)點為葉子節(jié)點，負責數(shù)據(jù)的采集與設備的控制。協(xié)調器主要完成3個部分的工作：1）初始化組成樹形拓撲。2）將各個終端節(jié)點采集到的信息并解析，傳送給家庭網(wǎng)關，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的進一步分析和操作。3）接收網(wǎng)關傳輸過來的控制命令并封裝成協(xié)議包，將其通過路由節(jié)點送到特定的終端節(jié)點，從而實現(xiàn)用戶遠程控制相應的電器。

圖2　ZigBee無線通信網(wǎng)絡架構Fig．2　The communication network architecture of ZigBee wireless

本系統(tǒng)采用CC2530芯片作為ZigBee節(jié)點的主控芯片。CC2530是 1款針對 IEEE 802．15、ZigBee RF4CE和 Smart Energy的單芯片ZigBee系統(tǒng)解決方案。具有256 KB大容量閃存，非常適合于ZigBee PRO的應用［4］。

2.2嵌入式網(wǎng)關設計

本系統(tǒng)的嵌入式家庭網(wǎng)關主要進行ZigBee協(xié)議與TCP/ IP協(xié)議之間信息的傳輸，用戶通過手機應用交互程序在外網(wǎng)中遠程登陸到Web服務器中，向家庭內(nèi)部的局域網(wǎng)發(fā)送控制信息，依據(jù)TCP/IP協(xié)議進行傳輸，到達網(wǎng)關后，網(wǎng)關存儲信息，并將信息包裝成可由ZigBee協(xié)議進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，向家庭內(nèi)部網(wǎng)絡發(fā)送信息；同時家庭內(nèi)部網(wǎng)絡也可以把處理后的反饋信息通過以上路徑發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關存儲信息，并將其包裝成可以在外網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，最后通過TCP/IP協(xié)議反應到手機應用交互程序中?？偟膩碚f，家庭網(wǎng)關在智能家居系統(tǒng)中起到了連接外網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng)絡，完成信息傳輸?shù)群诵墓δ?。圖3為家庭網(wǎng)關功能實現(xiàn)結構圖。

圖3　家庭網(wǎng)關功能實現(xiàn)結構圖Fig．3　The structure of home gateway function implementation

2.3WEB服務器

手機應用交互程序輸入WEB服務器的IP地址向WEB服務器發(fā)送http登陸請求，服務器響應請求后返回跳轉到手機登陸界面，用戶輸入賬號和密碼后手機應用程序將向服務器提交表單，服務器根據(jù)表單內(nèi)容調用相應的CGI腳本執(zhí)行，若登陸成功則進入手機交互應用程序。同理，在點擊手機交互應用程序的按鈕時，將觸發(fā)服務器調用相應的CGI腳本。圖4為手機應用程序與WEB服務器相互訪問框圖，最終完成手機應用程序登錄認證及智能家居設備遠程控制等功能。

圖4　手機應用程序與WEB服務器通信流程圖Fig．4　Theflowchartofmobileapplicationand WEBservercommunication

采用SQLite來搭建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，包含3張數(shù)據(jù)表：1）家用電器狀態(tài)數(shù)據(jù)表，定時存儲系統(tǒng)內(nèi)家電設備的狀態(tài)，以便查詢和反饋；2）溫濕度數(shù)據(jù)表，定時存儲各節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)供查詢及繪制曲線；3）用戶動作數(shù)據(jù)表，當用戶發(fā)生動作時記錄用戶的操作時間、操作內(nèi)容、操作節(jié)點，以供為優(yōu)化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

CGI（Common Gateway Interface）是外部應用程序與Web服務器之間的接口標準，是在CGI程序和Web服務器之間傳遞信息的規(guī)程。在物理上是一段程序，運行在服務器上，提供同客戶端HTML頁面的接口。

2.4手機應用交互程序

手機應用交互程序主要功能包括：1）居住模式的一鍵選擇：一鍵選擇居家模式、睡眠模式、離家模式等居住模式，在每個模式下可以設定相應的預設值，從而優(yōu)化用戶體驗，具有簡化操作的特點。2）家用電器的參數(shù)顯示：對系統(tǒng)內(nèi)的相關家用電器的設置參數(shù)進行實時地顯示。3）室內(nèi)環(huán)境的信息顯示：顯示室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，主要有濕度、溫度、CO2含量，并將采集到的環(huán)境傳遞到控制系統(tǒng)進行進一步處理。4）自動報警信息的接收：接收控制系統(tǒng)傳送的警報信息。5）視頻采集的點對點處理：向主控服務器發(fā)送監(jiān)控請求、視頻解壓縮、播放和保存視頻以及圖片等功能，實現(xiàn)對家庭的實時視頻監(jiān)控。圖3為手機應用交互程序界面的部分截圖。

圖5　手機應用交互程序界面部分截圖Fig．5　The screenshot of mobile application interaction interface program

3　系統(tǒng)硬件構成

3.1ZigBee模塊硬件構成

ZigBee模塊分為兩類，其一為監(jiān)控模塊，以CC2530芯片為基礎的主控芯片連接著DH11芯片為基礎的傳感器、AMS1117芯片為基礎的電源模塊和射頻模塊；其二為控制模塊，以 CC2530芯片為基礎的主控芯片連接著繼電器、AMS1117芯片為基礎的電源模塊和射頻模塊。兩者的主要區(qū)別在于監(jiān)控模塊負責采集數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，控制模塊負責接收命令并進行相應設備的控制。其結構圖如圖6所示。

圖6　ZigBee網(wǎng)絡硬件構成圖Fig．6　The structure of ZigBee network hardware

本系統(tǒng)選用了CC2530作為主控芯片，核心板底連接了一個RFID射頻收發(fā)器，利用2．4 GHz頻段進行控制命令的轉發(fā)工作［5］。220 V市值電壓經(jīng)過變壓器轉換為12 V電壓，再由AMS1117穩(wěn)壓芯片將12 V電壓轉換為3．3 V電壓，為模塊提供穩(wěn)定的電流。

監(jiān)控ZigBee模塊連接著DH11芯片為基礎的傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器與一個高性能8位單片機相連接，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可以實現(xiàn)溫濕度的采集等。

控制ZigBee模塊連接著繼電器，電器控制由繼電器模塊組完成，繼電器模塊組以51單片機作為控制芯片，串口RXD，TXD連接另一個RFID接收模塊組，51芯片工作內(nèi)容為操控RFID接收端接收RFID發(fā)射端發(fā)射的指令，完成繼電器模塊組的操控［5］。繼電器掛載著燈光照明模塊、電動窗簾模塊、門禁系統(tǒng)模塊等模塊，完成對家庭設備的控制。

3.2ZigBee網(wǎng)關硬件構成

本系統(tǒng)網(wǎng)關設計采用嵌入式ARM Cortex TM-A8開發(fā)平臺，核心部分為三星公司的的S5PV210處理器，S5PV210處理器主頻可達1 GHz，32位內(nèi)部總線結構，可實現(xiàn)2000DMIPS（即每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力，對于緩存方面，S5PV210采用了32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，同時其內(nèi)建MFC，具有強大的硬件編碼功能，其存儲控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2類型的RAM，可以用于文件系統(tǒng)的掛載，F(xiàn)lash支持Nandflash，Norflash，OneNand等，S5PV210還提供了豐富的外圍接口，為拓展該處理器的功能提供了極大的方便。圖7為網(wǎng)關硬件結構圖，圖8為網(wǎng)關實物圖。

4　結　論

文中提出了一種基于ZigBee和WEB服務器的嵌入式智能家居管理系統(tǒng)設計方案。給出了ZigBee通信網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、Web服務器、手機應用交互程序之間相互通信的流程，并說明了SQLite服務器的構架，構建了以ARM Cortex TMA8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片為主的硬件平臺。經(jīng)測驗，驗證了本系統(tǒng)的可行性，并可通過手機應用交互程序實現(xiàn)對智能家居管理系統(tǒng)的控制、管理。

圖7　網(wǎng)關硬件結構圖Fig．7　The structure of gateway hardware

圖8　網(wǎng)關實物圖Fig．8　The picture of the gateway

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［3］衛(wèi)兵，郭玉堂，華玉鵬，等．一種基于無線傳感網(wǎng)的新型智能家居控制系統(tǒng)［J］．網(wǎng)絡與通信，2013（23）：61-64．

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［5］李社蕾，周磊，劉杰，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)［J］．物聯(lián)網(wǎng)技術，2014（9）：40-43．

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Design and implementation of embedded intelligent home furnishing management system based on ZigBee

ZHANG Guo-yang，ZHU Shu-xian，WANG Kang，SHEN Xin-yi
（School of Electronic&Information Engineering，USTS，Suzhou 215009，China）

Based on the purpose of designing embedded intelligent home furnishing system based on the ZigBee．The system realized the ZigBee communication network，the embedded gateway，Web server，mobile phone application interaction between communication and the management of the system internal data by using ARM Cortex TM-A8 S5PV210 as hardware platform，ZigBee network self-organizing manner and using SQLite as an embedded database．Combined with practical application，this kind of method to design an embedded intelligent home furnishing system is fully useful．

intelligent home furnishing；ZigBee；embedded gateway；SQLite；the WEB server

TP273+．5

A

1674－6236（2016）02-0154-03

2015-02-07稿件編號：201502074

張國揚（1991—），男，江蘇淮安人。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡與嵌入式系統(tǒng)設計。