廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校 何 蕓 張 騰

基于ZigBee技術(shù)的智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校 何 蕓 張 騰

ZigBee技術(shù)是一種全新的教師,在應(yīng)用過(guò)程中,其所消耗的能源較低、組網(wǎng)方式較為靈活、布局成本較低,已經(jīng)在各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。文章簡(jiǎn)要分析了一套智能家居系統(tǒng),通過(guò)對(duì)ZigBee技術(shù)的核心監(jiān)控系統(tǒng)的利用,從而實(shí)現(xiàn)了家居的智能化。在分析過(guò)程中,主要針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 軟、硬件等進(jìn)行研究分析。

Zigbee技術(shù);智能家居;實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

通常來(lái)說(shuō),智能居家技術(shù)主要包括:總線技術(shù)、電力載波技術(shù)和無(wú)線技術(shù)等,但是,在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,由于各種因素的影響,導(dǎo)致其不能被廣泛應(yīng)用。Zigbee 技術(shù)的誕生以及應(yīng)用,推動(dòng)了智能家居的發(fā)展,為人們營(yíng)造了一個(gè)舒適的居住環(huán)境。

一、傳統(tǒng)家居系統(tǒng)

在傳統(tǒng)無(wú)線智能家居監(jiān)控方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,所采用的方案包括: 采用藍(lán)牙、802.11無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)等,但是,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,程序編輯復(fù)雜,芯片價(jià)格較高,導(dǎo)致成本較高,如果采用紅外控制方案,但是其傳輸過(guò)程中,其傳輸?shù)木嚯x較短,并且遇到障礙物不能及時(shí)的進(jìn)行傳輸,同時(shí),其在安裝過(guò)程中施工較為復(fù)雜;如果采用控制終端與互聯(lián)網(wǎng)接入方案,其在實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜程度較高,擴(kuò)展性較差,并且成本較高,因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,工作人員應(yīng)該依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出一套靈活多變、拓展性較強(qiáng)、組網(wǎng)與控制較為穩(wěn)定的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),才能保證家居的安全性。

二、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及功能

針對(duì)以上缺點(diǎn),文章設(shè)計(jì)出了一種無(wú)線、智能、主次控制端分工明確、信息傳輸較為穩(wěn)定,并且耗能較低、硬件、軟件成本較低、系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單的方案。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括:能夠和控制主機(jī)連接的 ZigBee中心收發(fā)模塊,數(shù)量較多嵌入在家居設(shè)備、報(bào)警傳感器或家用電器之內(nèi)的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊和控制電路模塊,ZigBee 中心收發(fā)模塊與ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊之間通過(guò) ZigBee 協(xié)議路由無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù);控制主機(jī)通過(guò)GSM 發(fā)送報(bào)警信息,互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居環(huán)境,同時(shí),還具有很強(qiáng)的家庭娛樂(lè)功能,能夠滿足人們的實(shí)際需求。

1.主要功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)家電、室內(nèi)環(huán)境、安全警報(bào)、三表抄送、遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

通常來(lái)說(shuō),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是由三個(gè)主要部分構(gòu)成,智能家居管理控制中心、家庭局域網(wǎng)(Zigbee 網(wǎng)絡(luò))、遠(yuǎn)程智能設(shè)備終端。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,智能家居管理控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,其主要功能是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控以及管理,同時(shí),還能遠(yuǎn)程智能終端進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)系;家庭局域網(wǎng)主要是以Zigbee 網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種家電設(shè)備、智能開(kāi)關(guān)、傳感器等設(shè)備的有效連接,能夠?yàn)榭刂浦行奶峁┍O(jiān)控信息,同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)對(duì)管理中心信號(hào)指令的傳輸。遠(yuǎn)程智能設(shè)備終端能夠隨時(shí)的登錄管理中心的賬戶,及時(shí)的對(duì)各個(gè)階段的家庭環(huán)境進(jìn)行料及,同時(shí),還能對(duì)家電設(shè)備的智能開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。如果家庭環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題,管理中心可以及時(shí)的將安全警報(bào)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程智能設(shè)備終端,從而通知屋主,實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要包含了兩個(gè)部分,管理中心和 Zig-Bee 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

管理中心主要是由監(jiān)控管理的軟件以及協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成,在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,監(jiān)控管理軟件的主要職責(zé)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理、網(wǎng)絡(luò)配置、監(jiān)控、記錄操作日志等;協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)的主要功能是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信進(jìn)行控制,從而能夠快速完成數(shù)據(jù)監(jiān)控信息的傳輸、接受、格式轉(zhuǎn)換等。另外,系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,如果管理中心不能繼續(xù)工作或者出現(xiàn)問(wèn)題,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就可以直接代替網(wǎng)絡(luò)管理中心繼續(xù)開(kāi)展相應(yīng)的工作,及時(shí)的對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理、維護(hù)。一般來(lái)說(shuō),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都配備有GSM/GPRS 模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以分為調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是ZigBee 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成部分,其主要目的是為了加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的管理;路由節(jié)點(diǎn)主要的目的是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),工作過(guò)程中,如果ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)簇型結(jié)構(gòu),路由節(jié)點(diǎn)可以作為簇首,從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整簇的內(nèi)部管理;路由節(jié)點(diǎn)都采用的是大功率模式,數(shù)據(jù)的傳輸距離較長(zhǎng),并且監(jiān)控的范圍較為較大。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)分布較為廣泛,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的有效的采集以及設(shè)備監(jiān)控,監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的體積較小,但是工作周期較長(zhǎng),一般都是被嵌入到監(jiān)控設(shè)備中,從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。在網(wǎng)絡(luò)部署工作中,工作人員需要部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn),從而能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供其他節(jié)點(diǎn)的為位置信息,能夠幫助其余節(jié)點(diǎn)及時(shí)的確定自身的位置,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的局部定位。

紅外探測(cè)子節(jié)點(diǎn)主要是對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),如果發(fā)現(xiàn)非正常狀態(tài)陌生人進(jìn)入,節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)的發(fā)出信號(hào),底層控制器PIC18f4620芯片能夠及時(shí)的對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析, ,然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器子節(jié)點(diǎn),并且及時(shí)的同時(shí)嵌入式 Web 服務(wù)器并啟動(dòng)通信模塊, 通過(guò) GSM 網(wǎng)絡(luò)向所指定的手機(jī)發(fā)送信號(hào)。如果用戶想了解更多的家庭信息,還可以通過(guò)IE 瀏覽器對(duì)Web 服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn),從而能夠及時(shí)家庭狀況進(jìn)行了解。

基于Zigbee 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),可以設(shè)置三種節(jié)點(diǎn)類型,并且其作用也各不相同。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間不連通,也不能實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的能力,每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)都能夠控制多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn), 其主要的功能是完成報(bào)文在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器之間的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)工作。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,如果同時(shí)具備傳感器,路由器節(jié)點(diǎn)也能夠?qū)Ψ课莪h(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè);協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在管理中心控制下負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)及管理。

三、實(shí)例分析

在研究過(guò)程中,工作人員選取某棟建筑對(duì)其進(jìn)行研究分析,該建筑東西長(zhǎng)度為75m,為9層,每層大約高度為3m,在每一個(gè)辦公室內(nèi)都安裝一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn),并且在每一層安裝2個(gè)路由節(jié)點(diǎn),樓層之間安排1個(gè)路由節(jié)點(diǎn),整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),一個(gè)為備用。成本:20*8*70(監(jiān)控節(jié)點(diǎn))+(2*8+7)*150(路由節(jié)點(diǎn))+2*150(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))=14950 元 <1.5 萬(wàn)元。

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果:

?

通過(guò)研究分析,基于ZigBee技術(shù)的智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在安全監(jiān)控系硬件平臺(tái)進(jìn)行獨(dú)立工作,管理中心所采用的軟件可以再找Windows7、Windows10 等各個(gè)版本上運(yùn)行,并且穩(wěn)定性、可靠性、開(kāi)放性較強(qiáng),同時(shí),工作人員所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)其硬件集成度、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率、靈敏度等都能,滿足實(shí)際的工作需求。

四、總結(jié)

綜上所述,積極對(duì)基于ZigBee技術(shù)的智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析具有重要意義,能夠營(yíng)造一個(gè)舒適的居家環(huán)境,滿足現(xiàn)代人的生活需求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,工作人員應(yīng)該綜合各方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì),才能保證設(shè)計(jì)的合理性。

[1]馮英偉,王慶福,王啟元等?；赯igBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究[J]。河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,(1):90-92.

[2]陳楊,吳海燕。基于Zigbee的智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]。電子技術(shù)與軟件工程,2015(8):181-182.

何蕓(1990-),女,廣東汕頭人,大學(xué)本科,助理實(shí)驗(yàn)員,研究方向:向電子技術(shù)。

張騰(1990-),男,廣東汕頭人,大學(xué)本科,助理級(jí)實(shí)驗(yàn)師,研究方向:向電子技術(shù)。