楊曉蓮,王 凱,王亞剛,許金波
(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
GPRS與ZigBee聯(lián)合控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)
楊曉蓮,王 凱,王亞剛,許金波
(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
介紹了一種基于GPRS的Internet網(wǎng)絡(luò)通信與ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)合控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)傳感器信號(hào)采集及GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)短信通信方式,遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)電器工作狀態(tài)以及室內(nèi)環(huán)境狀況。同時(shí)結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制協(xié)議技術(shù),對(duì)室內(nèi)電器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可控。真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)可靠性,以滿足現(xiàn)實(shí)生活中智能家居的較高應(yīng)用需求。
GPRS;ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù);監(jiān)測(cè)性;可控制性
隨著電子與多元信息化的發(fā)展,常規(guī)的家居生活方式已無(wú)法滿足人們?nèi)粘I钆c工作的需求。因此,住宅智能化就是人們對(duì)于住宅能有更多便利與舒適感提出的最新需求[1]。
目前,市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品都是獨(dú)立的、個(gè)體的實(shí)現(xiàn),同時(shí)也局限于小范圍內(nèi),沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的智能家居系統(tǒng)。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外無(wú)線通訊市場(chǎng)已成熟,且基于GPRS無(wú)線通訊方式的移動(dòng)手機(jī)的大范圍普及,為人們提供了能夠隨時(shí)上網(wǎng)的可能性。這種數(shù)據(jù)傳輸方式,可以為用戶提供信道之間的資源共享,且其最高理論傳輸速率可達(dá)165 kbit·s-1。另外ZigBee技術(shù),是目前新興的一項(xiàng)低功耗、低成本、低復(fù)雜度、短延時(shí)、容量大的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文結(jié)合GPRS[2]移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)[3]通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),組成智能家居控制系統(tǒng),從而最大程度地滿足人們對(duì)智能家居系統(tǒng)的需求。
1.1 GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信
通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service,GPRS),是移動(dòng)電話的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它來(lái)源于GSM技術(shù),由于技術(shù)水平介于移動(dòng)2G和3G移動(dòng)通訊技術(shù)之間,也因此被稱為做“2.5G”。其功能在兼容GSM網(wǎng)絡(luò)共享網(wǎng)絡(luò)鏈接、TDMA幀結(jié)構(gòu)與無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)基礎(chǔ)之上,還兼具有資源利用率高、傳輸速率高(64~128 kbit·s-1)、接入時(shí)間短、支持IP協(xié)議和X.25 協(xié)議[4]、低成本,以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)等新的功能與技術(shù)。
GPRS提供端到端的廣域無(wú)線IP連接方式,實(shí)現(xiàn)分組交換。其數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)可分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)多兩種。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)即兩個(gè)或多個(gè)用戶之間相互發(fā)送多分組的業(yè)務(wù),業(yè)務(wù)分為建立連接、數(shù)據(jù)傳輸以及連接釋放3個(gè)階段。點(diǎn)對(duì)多服務(wù)則為把單一服務(wù)信息傳送給多個(gè)用戶,由PTM業(yè)務(wù)請(qǐng)求者自行定義用戶組成員。其物理信道資源只有在有效數(shù)據(jù)之間進(jìn)行通信時(shí)才會(huì)被占用的資源處理方式,大幅提高了頻率資源的利用效率,也能促使通信系統(tǒng)長(zhǎng)期處于在線狀態(tài),不會(huì)獨(dú)自占用信道。其接口與運(yùn)行原理如圖1所示。
圖1 GPRS接口及工作原理圖
1.2 ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)
ZigBee技術(shù)是具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù),它是一種無(wú)線自組建網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),物理層和媒體訪問(wèn)介入控制層協(xié)議均為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[5],網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟所制定。應(yīng)用層具體的開發(fā)應(yīng)用則根據(jù)用戶的應(yīng)用需求對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的特定應(yīng)用開發(fā),也正因?yàn)槿绱怂軌驗(yàn)橛脩籼峁╈`活多變的網(wǎng)絡(luò)組件方式。
ZigBee的工作頻段分為868 MHz,915 MHz和2.4 GHz,其中2.4 GHz工作頻段上又可分為16個(gè)信道。在無(wú)線通信技術(shù)上ZigBee協(xié)議避免沖突多載波信道接入(CSMA/CA)方式,有效的避免了無(wú)線電載波之間可能發(fā)生的沖突,從而保障了應(yīng)答機(jī)制的完整性,保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的可靠性。其拓?fù)湫徒Y(jié)構(gòu)有3種,如圖2所示。
圖2 常用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2所示,ZigBee節(jié)點(diǎn)種類主要有協(xié)調(diào)器、路由器和設(shè)備終端3種類型的節(jié)點(diǎn),根據(jù)實(shí)際需要選擇連接即可。各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤其特定的存在意義與相應(yīng)的功能。圖2(a)星型,所有節(jié)點(diǎn)連接到協(xié)調(diào)器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延時(shí)小,但覆蓋范圍有限,很容易受到外部的干擾;圖2(b)樹型,只有父子節(jié)點(diǎn)之間才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,否則需要經(jīng)過(guò)父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),不能夠很好的對(duì)數(shù)據(jù)在設(shè)備之間進(jìn)行共享。圖2(c)Mesh網(wǎng)狀型,網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以互相接力轉(zhuǎn)發(fā),覆蓋范圍大,網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)“多級(jí)跳”通信,同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈能力,因此Mesh結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的通信而言能夠起到良好的保護(hù)作用,避免因?yàn)樾盘?hào)不好等因素造成的協(xié)調(diào)器失連狀況的發(fā)生,也就是如果鄰近的節(jié)點(diǎn)由于傳輸流量過(guò)大而造成的擁塞狀況,數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸,從而有效避免了由于信號(hào)擁堵造成的信號(hào)丟失情況的發(fā)生。當(dāng)然ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)越多,而每個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信的過(guò)程中需要花費(fèi)一定的時(shí)間,所以相對(duì)而言其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)就會(huì)越長(zhǎng)[6]。因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋的大小以及延時(shí)大小對(duì)于實(shí)際需要的影響,從而運(yùn)用合適的拓?fù)浣M網(wǎng)設(shè)計(jì)出更加合理的ZigBee局域通信系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的單一式的有線或者無(wú)線方式的智能家居系統(tǒng)根本無(wú)法完成現(xiàn)在用戶對(duì)智能家居系統(tǒng)所提出的高要求。由圖3可以看出整個(gè)系統(tǒng)主要由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)部分組成,一個(gè)是室外的遠(yuǎn)端客戶端通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程的Internet網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)組成,這一部分不是設(shè)計(jì)的重點(diǎn),因?yàn)檫@部分由用戶移動(dòng)客戶端和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器組成,在系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)只需對(duì)GPRS通信信號(hào)進(jìn)行接收然后做一定的識(shí)別處理即可。第二部分才是本設(shè)計(jì)在硬件、軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的:室內(nèi)網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器以及ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)通信部分。
圖3 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
第二部分一般情況位于室內(nèi)或者小區(qū)某一集中位置,由網(wǎng)關(guān)、控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器及其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)組成。在家庭等小范圍內(nèi)中電器狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器,然后經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器傳送至控制器和網(wǎng)關(guān)端口,然后由網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS傳輸至外部網(wǎng)絡(luò),客戶端通過(guò)手機(jī)等終端接收GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)了解家中電器和環(huán)境實(shí)時(shí)反饋信息,也可以通過(guò)手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程控制家中電器,家庭網(wǎng)關(guān)對(duì)控制信息做出判斷和響應(yīng),根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的事件號(hào)和端點(diǎn)信息控制相應(yīng)的ZigBee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)做出相應(yīng)的動(dòng)作。比較3種ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),雖然星形結(jié)構(gòu)可以有效地避免一定的延時(shí),但是由于其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),信號(hào)由于擁擠造成的丟失狀況是較易發(fā)生。而信號(hào)的丟失在很多情況下相比于信號(hào)的延時(shí)更加容易產(chǎn)生無(wú)法挽回的損失。因此,設(shè)計(jì)采用可信度更高、容錯(cuò)能力更強(qiáng)的Mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),保證信號(hào)的完整性與可靠性,以達(dá)到較優(yōu)的實(shí)現(xiàn)效果。IEEE802.15.4/ZigBee[7]家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控家中電器以及采集家庭環(huán)境信息,并通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。
3.1 網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)部分,可以由微控制器、路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器共同組成主要起到內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)間信號(hào)之間連接器的作用,如圖4所示,在這里負(fù)責(zé)將室外GPRS信號(hào)[8]接收并進(jìn)行一定的處理。網(wǎng)關(guān)再智能家具中作為數(shù)據(jù)的匯聚點(diǎn),負(fù)責(zé)整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與加工處理等等。其對(duì)外的連接方式為以太網(wǎng)[9-10]連接或者GPRS連接方式,對(duì)內(nèi)將家電及需要控制和檢測(cè)的家庭設(shè)備通過(guò)消息路由及ZigBee通訊方式連成一個(gè)通訊整體。網(wǎng)關(guān)部分所包含的微處理器及其他組件模塊組成的部分處理按鍵的輸入,以及用顯示器室內(nèi)電器的運(yùn)作情況、并可以針對(duì)當(dāng)前的具體情況對(duì)室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)整,以適應(yīng)實(shí)際需求。通過(guò)有針對(duì)性的UI設(shè)計(jì)及串口通信可以實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)化的界面顯示與觸屏控制效果。其他功能模塊可以相應(yīng)的連接到控制器端口以及電源模塊實(shí)現(xiàn)。
圖4 網(wǎng)關(guān)組件設(shè)計(jì)
因此,網(wǎng)關(guān)必須包含兩大部分:第一部分是數(shù)據(jù)交換部分,其中有串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機(jī)交換模塊(I/O口、按鍵及顯示器);第二部分為微控制器、存儲(chǔ)器等組成的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊。
3.2 ZigBee協(xié)調(diào)控制器及其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊[11]已相對(duì)比較成熟,運(yùn)用Chipcon公司推出的CC2430芯片,實(shí)現(xiàn)了ZigBee技術(shù)的嵌入,成為ZigBee的片上應(yīng)用系統(tǒng)[12]。在整個(gè)芯片上整合了微控制、內(nèi)存和射頻(RF)前端,能夠很好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能,主要負(fù)責(zé)配合外部模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和管理,通過(guò)串口通信的方式與網(wǎng)管相連接,以方便數(shù)據(jù)的雙工通信。
圖5 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
各個(gè)電器或需要控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)基本可以按照?qǐng)D5所示設(shè)計(jì),只是根據(jù)控制器件自身的性能或控制方式,進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)即可。本設(shè)計(jì)采用Mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,方便相互數(shù)據(jù)的共享以及用以保證數(shù)據(jù)的可靠性。
4.1 客戶端消息處理
客戶端為用戶操作端,設(shè)備包括手機(jī)、平板等設(shè)備終端。設(shè)計(jì)相應(yīng)的UI軟件終端,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與更優(yōu)良的實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制效果。其流程如圖6所示,為實(shí)現(xiàn)更加人性化的效果,可以先將用戶信息進(jìn)行匹配注冊(cè),只有信息匹配成功,才默認(rèn)為家庭主人,可以獲取家庭中家電信息,或根據(jù)接收的實(shí)時(shí)信息做出相應(yīng)的反應(yīng)控制。登錄成功后,為了GPRS消息接收與發(fā)送成功,有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接狀況進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)正常則可以正常接收GPRS消息與發(fā)送GPRS消息。數(shù)據(jù)處理部分為GPRS的主要任務(wù),包括接收數(shù)據(jù)處理與發(fā)送消息處理。
圖6 客戶端消息處理流程圖
接收消息部分,GPRS通訊過(guò)程循環(huán)檢測(cè)通訊接收信號(hào),接收到終端發(fā)出的信號(hào)之后,將消息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū),然后根據(jù)事先約定的通信規(guī)則獲取到是哪個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息,進(jìn)而解析出該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息含義,根據(jù)解析結(jié)果對(duì)界面的顯示作出更新,以示當(dāng)前對(duì)應(yīng)電器的工作狀態(tài)[4]。消息解析完畢,清除緩沖區(qū)的內(nèi)容,以便再次接收GPRS消息。
發(fā)送消息部分,通過(guò)接收到的消息解析之后,界面更新的結(jié)果由用戶決定是否需要發(fā)送響應(yīng)處理消息。所有消息根據(jù)消息隊(duì)列的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可以連續(xù)發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)消息而減少錯(cuò)誤的發(fā)生。相應(yīng)的處理動(dòng)作也會(huì)根據(jù)事先約定的指令規(guī)則發(fā)送GPRS消息,由接收方解析后作出對(duì)應(yīng)的處理。
4.2 網(wǎng)關(guān)消息處理
圖7 網(wǎng)關(guān)消息處理流程圖
當(dāng)網(wǎng)關(guān)部分開始工作后,首先進(jìn)行系統(tǒng)程序的初始化,包括以太網(wǎng)控制驅(qū)動(dòng)、TCP/IP 協(xié)議棧,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置等內(nèi)容,其流程如圖7所示。用于將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換,即將 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至 ZigBee無(wú)線模塊的串口,使整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的控制。之后啟動(dòng)應(yīng)用服務(wù)程序,建立監(jiān)控進(jìn)程,執(zhí)行Socket系統(tǒng)調(diào)用,建立套接字,綁定端口,監(jiān)聽客戶端連接請(qǐng)求,監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口及串口事件,如果從網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的是TCP/IP 數(shù)據(jù)時(shí),將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)[13],打包之后發(fā)送給ZigBee模塊,并繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò),當(dāng)收到的是串口 ZigBee 數(shù)據(jù)時(shí),將 ZigBee 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),打包發(fā)給 TCP/IP 模塊,并繼續(xù)監(jiān)聽,以此循環(huán),直到系統(tǒng)退出為止[14]。
4.3 終端節(jié)點(diǎn)消息處理
圖8 終端節(jié)點(diǎn)消息處理流程圖
終端消息處理包括發(fā)送消息部分和消息接收部分。ZigBee協(xié)調(diào)器[15]在初始化階段將建立與各終端的通信網(wǎng)絡(luò),存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)的通信基礎(chǔ)信息??刂破餮h(huán)檢測(cè)網(wǎng)管是否有接收到消息,將接收到的消息存儲(chǔ)到緩沖區(qū),然后,如果有多條消息,則依次按照接收消息先后順序放進(jìn)隊(duì)列中,然后依次進(jìn)行解析后,通過(guò)串口指令依次發(fā)送到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)再次解析消息作出對(duì)應(yīng)的處理判斷,完成對(duì)應(yīng)的控制效果。
消息發(fā)送部分,協(xié)調(diào)器循環(huán)檢測(cè)依次檢測(cè)各終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)達(dá)到事先約定的等級(jí)閾值情況決定是否發(fā)送網(wǎng)關(guān)消息。若有需要發(fā)送的消息,則將節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到協(xié)調(diào)器,再由控制器發(fā)送到網(wǎng)關(guān),通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的加工后發(fā)送出去,其流程如圖8所示。至此,整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)完成。
系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)與GPRS通訊方式相結(jié)合[4],設(shè)計(jì)思想配合良好的UI人機(jī)交互界面;能夠?qū)崿F(xiàn)基本的智能家居要求的效果,且能夠較好地避免數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中錯(cuò)誤的發(fā)生率。但仍有需要改進(jìn)的地方,目前移動(dòng)通訊領(lǐng)域已有了3G與4G的通訊方式,如果深入研究并結(jié)合可以加速通訊的可靠信與通訊效率,給用戶帶來(lái)更好的控制、監(jiān)測(cè)體驗(yàn)。
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GPRS and ZigBee Jointly Control of Smart Home System
YANG Xiaolian,WANG Kai,WANG Yagang,XU Jinbo
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)
Introduces a GPRS Internet communication with ZigBee local area network technology based on joint control of the smart home system design and research. Through the sensor signal acquisition and GPRS wireless network messaging communication, remote real-time detection of indoor operating state of the electric appliance and the room environment . In addition, according to the ZigBee network node control protocol technology, to achieve indoor appliances real-time controllable. Therefore, this study for real-time monitoring and real-time control, and truly realize the gateway stability and data transmission of the real time reliability, to meet the realities of life in smart home higher application requirements.
GPRS;ZigBee local area network technology;monitoring;controllability
2016- 07- 22
楊曉蓮(1992-),女,碩士研究生。研究方向:工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。王凱(1973-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),工業(yè)過(guò)程控制。
10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.036
TN926
A
1007-7820(2017)01-131-05