劉釗 劉潔琳 孟思彤

沈陽理工大學(xué)

基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉釗 劉潔琳 孟思彤

沈陽理工大學(xué)

目前人們對(duì)家居型智能生活設(shè)備的需求越來越多，針對(duì)此現(xiàn)象本文提出一種基于ZigBee和OpenWrt以及Android技術(shù)開發(fā)的智能家居系統(tǒng)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①網(wǎng)絡(luò)遙控家電：通過移動(dòng)端對(duì)不同類型的家電進(jìn)行控制，如空調(diào)的開關(guān)、定時(shí)、溫度自定義控制；也可在移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制燈和窗簾的開關(guān)；加濕器自動(dòng)打開、關(guān)閉等；②環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)警：利用不同類型的傳感器檢測(cè)是否有人非法侵入室內(nèi)，或發(fā)生燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)等，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)移動(dòng)端做出相應(yīng)的報(bào)警提醒；③智能樓宇對(duì)講：客人訪問時(shí)可以在門口輸入門牌號(hào)與主人進(jìn)行視頻通話，待主人確認(rèn)后通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控開門。

智能家居 ZigBee 樓宇對(duì)講

ZigBee通信技術(shù)用于智能家居系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文開發(fā)的基于ZigBee和OpenWrt以及Android技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為以下三部分：下位機(jī)設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)以及上位機(jī)Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。其中，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)和OpenWrt技術(shù)結(jié)合是網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)自身功能的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化清晰分工明確，移動(dòng)終端、數(shù)據(jù)采集及控制、網(wǎng)關(guān)三大模塊整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)部分由ZigBee和RT5350兩種開發(fā)板集合而成。目的是實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Wifi網(wǎng)絡(luò)的相互通信功能，然而其最簡(jiǎn)單的方式是通過串口連通兩種開發(fā)板。首先在LINUX系統(tǒng)（本文選用Ubuntu系統(tǒng)）下更改rt5350的串口配置文件。將openwrt/ trunk/target/linux/ramips/dts目錄下的rt5350.dtsi配置文件的串口控制語句禁用狀態(tài)status=“disabled”改為開啟狀態(tài)status=“okay”；其次要修改rt5350.dtsi配置文件中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使得目的端口得以使用，即將bootargs=“console=ttys0,57600”更改為bootargs=“console=ttys1,57600”；最后啟動(dòng)rt5350開發(fā)板，在啟動(dòng)文件內(nèi)首行添加set2net，使得開發(fā)板實(shí)現(xiàn)開機(jī)自啟動(dòng)調(diào)試串口。

綜上所述就實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)調(diào)器和RT5350開發(fā)板的通信功能，這樣ZigBee節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)、信息采集、控制節(jié)點(diǎn)等工作時(shí)與RT5350部分互不影響，在工作原理上相對(duì)獨(dú)立，在功能上相互配合。軟硬件通信自如，整個(gè)網(wǎng)關(guān)完成了數(shù)據(jù)的收集與轉(zhuǎn)發(fā)以及移動(dòng)終端對(duì)節(jié)點(diǎn)控制命令的任務(wù)。

3 總體硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)部分負(fù)責(zé)組網(wǎng)工作的ZigBee模塊是協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及控制操作的節(jié)點(diǎn)就是終端節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部工作模塊按功能來分，主要包含了傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和電源模塊四個(gè)部分。

傳感器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)家庭環(huán)境的監(jiān)控功能，以及為家庭相應(yīng)家電提供數(shù)據(jù)反饋功能；數(shù)據(jù)處理模塊包括微控制器和UART接口等，最終完成采集數(shù)據(jù)的分析和對(duì)家電的制動(dòng)；通信模塊的功能是負(fù)責(zé)無線信號(hào)的收發(fā)；電源模塊為節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓環(huán)境。

3.2 Wifi轉(zhuǎn)紅外轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

Wifi轉(zhuǎn)紅外轉(zhuǎn)換器集成wifi模塊、單片機(jī)CPU和紅外發(fā)射頭，實(shí)現(xiàn)wifi數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、串口數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解析、紅外電平的發(fā)射。本模塊的單片機(jī)中控CPU處理編碼與紅外協(xié)議的轉(zhuǎn)化，CPU程序中具備對(duì)串口數(shù)據(jù)讀取、定時(shí)、紅外電平控制的功能。此外還添加了定時(shí)控制，這是為了提高自身的信號(hào)抗干擾能力。本模塊中傳遞的數(shù)據(jù)需要按照自定義的編碼規(guī)則，發(fā)射出與家電匹配的紅外信號(hào)。

4 樓宇對(duì)講模塊服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器和客戶端皆選用java語言在Eclipse平臺(tái)上開發(fā)。服務(wù)器又分為業(yè)務(wù)服務(wù)器和核心服務(wù)器，業(yè)務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)上層業(yè)務(wù)邏輯的處理以及業(yè)務(wù)通信指令集的解析等，核心服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的連接、通信功能，其中p2p穿透過程中的協(xié)助工作以及流媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作也是在此部分完成的。

5 Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)端APP分為三層，第一層負(fù)責(zé)軟、硬件與服務(wù)器連接，輸入服務(wù)器的IP地址即可；第二層是系統(tǒng)功能界面，包括此系統(tǒng)各項(xiàng)具體功能的圖標(biāo)，點(diǎn)擊每個(gè)圖標(biāo)可以跳轉(zhuǎn)到各自的具體操作頁面；第三層供用戶查看環(huán)境監(jiān)控情況、家電控制以及實(shí)現(xiàn)樓宇對(duì)講等。

6 總結(jié)

本文對(duì)智能家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究與實(shí)踐，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰明了、功能健全、拓展性強(qiáng)，為人們的生活帶來便利，用戶體驗(yàn)良好。此系統(tǒng)存在的不足之處是在安全方面沒有做太多工作，這也勢(shì)必成為我今后對(duì)本課題的研究重點(diǎn)。

[1]祁凱,張國煊,申興發(fā).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì).杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(04)

[2]張學(xué)磊,曾祥源.基于安卓系統(tǒng)手機(jī)WiFi的家用智能遙控器開發(fā).電子世界,2013,（22）

劉釗(1992—)男，河北滄州人，計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。孟思彤（1993—）女，遼寧本溪人，沈陽理工大學(xué)攻讀碩士研究生學(xué)位，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。