張江山++熊哲源

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.157

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在成本高、設(shè)備復(fù)雜、布局不靈活的局限性，該文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用ZigBee技術(shù)XBee模塊組建家庭內(nèi)網(wǎng)，S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)，利用以太網(wǎng)作為通信外網(wǎng)，智能手機(jī)作為監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程家居環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全報(bào)警和家電控制的功能。該監(jiān)控系統(tǒng)具有輕巧、功耗低、成本低、操作方便、布置靈活、功能可自由搭配等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輕智能家居 ZIGBEE技術(shù) XBee 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0157-04

Design of Light Intelligent Home Monitoring System Based on ZigBee

Zhang Jiangshan Xiong Zheyuan

（Jiangxi Police Institute，Nanchang Jiangxi，103003，China）

Abstract：For the limitations existing in traditional smart home， such as high cost， complex equipment， inflexibility of equipment layout and so on， a design scheme of remote monitoring system of light smart home based on ZigBee technology is put forward. Internal network of smart home is constructed based on XBee module， and then the gateway is designed with S3C6410 chip transplanted into Linux operating system， using Ethernet as the external network of smart home， using intelligent mobile phone as monitoring terminal. The functions of the system conclude real-time home environmental remote monitoring， warning alarm， and home appliance control. The system has the advantages of low power consumption， light， Low cost， convenient operation， flexible layout and free combination of functions.it has certain application and dissemination value.

Key Words：Light smart home；ZigBee technology；XBee；Monitoring system

近年來(lái)，隨著電子通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展及生活水平的提高，家居系統(tǒng)的智能化、輕量化、操作便利越來(lái)越受到人們的關(guān)注。輕智能家居是指無(wú)需施工部署、功能可自由搭配組合、價(jià)格相對(duì)便宜、可直接面對(duì)最終消費(fèi)者銷(xiāo)售的產(chǎn)品或系統(tǒng)[1]。輕智能家居系統(tǒng)與傳統(tǒng)智能家居相比具有易安裝、易交互、節(jié)能、輕等優(yōu)點(diǎn)，能使人們家居生巧活更安全、舒適和便利[2]?；诖?，文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)的輕智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。選用S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，利用體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)的ZigBee技術(shù)XBee模塊和傳感器構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境信息的采集和控制命令的傳輸，以太網(wǎng)通信系統(tǒng)作為家庭外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，智能手機(jī)作為監(jiān)控終端[3]，編寫(xiě)APP軟件裝載手機(jī)實(shí)現(xiàn)交互。該系統(tǒng)具有輕巧、安裝簡(jiǎn)單、布置靈活、成本低、操作直觀簡(jiǎn)便[4]的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊、終端監(jiān)控模塊3部分，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊是ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，它被部署在家庭室內(nèi)，通過(guò)與之相連的傳感器采集家庭環(huán)境信息，如溫濕度、光強(qiáng)度，及安防狀態(tài)信息，如可燃?xì)怏w泄漏、盜賊入侵，同時(shí)將這些信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的控制指令并執(zhí)行。網(wǎng)關(guān)模塊是該系統(tǒng)的核心，一方面負(fù)責(zé)建立ZigBee和Internet混合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模塊之間通信，一方面負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)并處理和解析。終端監(jiān)控模塊采用智能手機(jī)，通過(guò)它可及時(shí)得到家中實(shí)時(shí)環(huán)境信息、安防報(bào)警信息實(shí)現(xiàn)家居遠(yuǎn)程監(jiān)控，向智能家電發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)家居遠(yuǎn)程控制。

該系統(tǒng)采用的模塊化設(shè)計(jì)和ZigBee技術(shù)無(wú)線組網(wǎng)，具有安裝部署簡(jiǎn)單、功能可以自由搭配、功耗低的特點(diǎn)，符合輕智能家居的要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊是ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元。主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集、無(wú)線連接和運(yùn)行命令控制，從功能上劃分為傳感器模塊、家電控制模塊、主控制器模塊、無(wú)線傳輸模塊和電源模塊。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

主控制模塊是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的核心部分，一方面負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，一方面執(zhí)行經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的控制命令。由于連接傳感器設(shè)備比較多、數(shù)據(jù)量大，該設(shè)計(jì)主控制器選用8位的ATmega128微控制器。它的內(nèi)部集成了128 kB的可編程Flash、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM，能夠暫存最近幾次傳感器采樣數(shù)據(jù)值；具有2個(gè)UART接口，可以直接與XBEE模塊相連；有53個(gè)通用I/O口接線和8路模擬輸入接口，可以滿足系統(tǒng)功能擴(kuò)展需求；使用工作電壓3.3 V，工作時(shí)鐘頻率8 MHz，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。

無(wú)線通信模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)控制器之間無(wú)線通信。針對(duì)輕智能家居系統(tǒng)低功耗、信號(hào)穩(wěn)定要求，選用MaxStream公司基于ZigBee技術(shù)的XBee-pro構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，XBee-proRF具有低功耗、穩(wěn)定性好、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)點(diǎn)[6]。最大發(fā)射功率50 mW，室內(nèi)傳輸距離120 m，室外傳輸距離可達(dá)1 500 m，接收靈敏度-92 dBm。它與ATmega128控制器可以通過(guò)UART接口直接相連，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能[4]。內(nèi)置有ZigbeePRO協(xié)議棧?？梢灾苯油ㄟ^(guò)X-CTU軟件配置進(jìn)行組網(wǎng)通信，降低了設(shè)計(jì)難度。

傳感器模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)各種家居信息的檢測(cè)，根據(jù)功能不同分為環(huán)境信息檢測(cè)模塊和安防信息檢測(cè)模塊。環(huán)境信息檢測(cè)模塊選用溫濕度傳感器SHT11和光敏電阻5516來(lái)檢測(cè)家庭室內(nèi)溫度、濕度及光強(qiáng)，安防信息檢測(cè)模塊選用可燃?xì)怏w傳感器MQ_2和熱釋紅外傳感器LH1778來(lái)檢測(cè)家庭室內(nèi)可燃?xì)怏w值和盜賊入侵情況。傳感模塊檢測(cè)信息送至主控制器分析處理，然后通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)送至網(wǎng)關(guān)控制器，網(wǎng)關(guān)控制器將接收數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端的智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警功能。

家電控制模塊主要根據(jù)設(shè)備功能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)窗簾、照明燈遠(yuǎn)程控制和聲光報(bào)警裝置、排氣扇智能控制。電動(dòng)窗簾控制就是遠(yuǎn)端電風(fēng)扇控制命令經(jīng)Internet和ZigBee混合網(wǎng)傳輸至連接有步進(jìn)電機(jī)的控制節(jié)點(diǎn)，之后控制節(jié)點(diǎn)的主控制器輸出脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的的運(yùn)行狀態(tài)（方向、速度）來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)窗簾的驅(qū)動(dòng)電路選用L298驅(qū)動(dòng)芯片，它與主控制器的接口電路如圖3所示。照明燈通過(guò)繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。聲光報(bào)警裝置和排氣扇直接與控制器相連，當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)由控制器直接啟動(dòng)。不同的家電要設(shè)計(jì)不同的識(shí)別碼實(shí)現(xiàn)對(duì)家電識(shí)別，該系統(tǒng)電動(dòng)窗簾的識(shí)別碼設(shè)計(jì)為080，照明燈開(kāi)關(guān)識(shí)別碼為081，聲光報(bào)警裝置識(shí)別碼為082，排氣扇識(shí)別碼為083。

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)模塊是系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、指令分析和ZigBee-Internet混合通信網(wǎng)絡(luò)的建立。它以ARM11處理器為中心，由XBee-PRO模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊組成。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

網(wǎng)關(guān)模塊對(duì)中央微處理器處理速度要求比較高，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央微處理器。再?gòu)墓?、操作系統(tǒng)的支持和可擴(kuò)性方面考慮，該設(shè)計(jì)選用32位的ARM11處理器S3C6410芯片為主處理器。以太網(wǎng)模塊選用DP83848芯片，它可以直接與ARM的引腳相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。XBee通信模塊和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一樣選用XBee-pro，負(fù)責(zé)建立ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將所有的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，網(wǎng)絡(luò)組建成功后，匯集所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息傳輸給ARM11處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，將ARM處理器接收到的遠(yuǎn)端用戶的控制命令傳輸給監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的輕智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的工作主要包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、用戶手機(jī)端監(jiān)控軟件3部分，完成傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸及顯示、家電控制和報(bào)警功能。

3.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)基于AVR STUDIO IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)。程序主要完成系統(tǒng)初始化、加入傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集傳輸和家電控制功能。

系統(tǒng)上電后，監(jiān)控點(diǎn)程序首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，對(duì)I/O口、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層初始化，加入網(wǎng)絡(luò)，打開(kāi)總中斷，接著進(jìn)入主循環(huán)程序執(zhí)行數(shù)據(jù)采集功能和家電控制功能。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)不斷輪詢各傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在不同內(nèi)部存儲(chǔ)器中。同時(shí)計(jì)算最近幾次數(shù)據(jù)值的算術(shù)平均值，并將結(jié)果上傳至家庭網(wǎng)關(guān)控制器。對(duì)于安防信息設(shè)定一個(gè)閥值與平均值比較，如果平均值大于閥值，表明有危險(xiǎn)情況發(fā)生，則監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制器直接進(jìn)入中斷處理流程，啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，并根據(jù)信息存儲(chǔ)器地址判斷可燃?xì)怏w泄漏險(xiǎn)情啟動(dòng)排氣扇。同時(shí)上傳報(bào)警信息到網(wǎng)關(guān)模塊傳送至遠(yuǎn)端的用戶。對(duì)于經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器傳送過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)端用戶家電控制命令，ZigBee子節(jié)點(diǎn)則在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷處理流程中直接對(duì)指令進(jìn)行分析，根據(jù)識(shí)別碼實(shí)現(xiàn)相關(guān)家電控制。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)是在Linux環(huán)境下，利用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。主要工作包括兩方面，一方面是實(shí)現(xiàn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；另一方面是實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)與以太網(wǎng)/GPRS網(wǎng)絡(luò)的命令控制字和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

網(wǎng)關(guān)主程序首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，對(duì)I/O口、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層初始化，建立一個(gè)ZigBee以太網(wǎng)混合通信網(wǎng)絡(luò)，打開(kāi)總中斷，使系統(tǒng)處于正常通信狀態(tài)。接著執(zhí)行數(shù)據(jù)收發(fā)死循環(huán)程序，主接收來(lái)自控制節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)的地址并且完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)傳送正確，則將該數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)模塊。網(wǎng)關(guān)控制器固定周期讀取以太網(wǎng)接接口的數(shù)據(jù)，若接收的數(shù)據(jù)正確，則將該數(shù)據(jù)發(fā)送給識(shí)別碼對(duì)應(yīng)控制器節(jié)點(diǎn)。

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，該程序設(shè)計(jì)利用Linux QT多線程技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，把應(yīng)用程序分解為環(huán)境監(jiān)測(cè)線程、安防報(bào)警線程和智能家電線程。此外，程序設(shè)計(jì)還進(jìn)行了網(wǎng)關(guān)底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，Linux操作系統(tǒng)的搭建和移植。

3.3 智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件是基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)的APP軟件，采用Eclipse工具中的Android插件設(shè)計(jì)，程序主要使用java語(yǔ)言編寫(xiě)，調(diào)用Android部分API函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。智能手機(jī)通過(guò)WiFi接入傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)Socket編程指定服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信功能。

監(jiān)控軟件主要設(shè)計(jì)了兩個(gè)簡(jiǎn)潔美觀、易于操作界面，一個(gè)是登錄界面如圖7所示，另一個(gè)是監(jiān)控界面如圖8～10所示。登錄界面實(shí)現(xiàn)賬戶設(shè)定及登錄；監(jiān)控界面按功能分為環(huán)境監(jiān)測(cè)單元、家居安防單元、智能家電單元，環(huán)境監(jiān)測(cè)單元用來(lái)顯示家庭中溫濕度情況，家居安防模塊用來(lái)對(duì)家中進(jìn)行布防監(jiān)控，并顯示報(bào)警情況。智能家電單元用來(lái)對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行測(cè)試，首先，根據(jù)測(cè)試要求布置好監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、路由器，將PC機(jī)通過(guò)Internet網(wǎng)連接網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)，確保手機(jī)連接到外網(wǎng)。然后打開(kāi)手機(jī)上監(jiān)控軟件登錄界面輸入賬戶名、密碼、MqttID點(diǎn)擊確定按鈕，進(jìn)入監(jiān)控界面。

（1）對(duì)系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試：點(diǎn)擊環(huán)境監(jiān)測(cè)功能按鈕，手機(jī)上出現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)窗口，此窗口能實(shí)時(shí)顯示家庭中的溫度值和濕度值，界面如圖8所示。

（2）對(duì)系統(tǒng)家居安防功能進(jìn)行測(cè)試：點(diǎn)擊家居安防功能按鈕，手機(jī)上出現(xiàn)家居安防窗口，此窗口能實(shí)時(shí)顯示家庭中安防探測(cè)器的報(bào)警狀態(tài)信息，點(diǎn)擊打開(kāi)聲光報(bào)警器和排氣扇圖標(biāo)其背景顯示為紅色。當(dāng)安防探測(cè)器沒(méi)有報(bào)警時(shí)，探測(cè)器圖片背景顯示為綠色；當(dāng)探測(cè)器發(fā)生報(bào)警時(shí)，探測(cè)器圖片背景顯示為紅色。非法入侵報(bào)警會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警器，可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警會(huì)同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警器和排氣扇。解除報(bào)警后，點(diǎn)擊相應(yīng)探測(cè)器圖標(biāo)能使其背景為綠色進(jìn)入布防狀態(tài)。安防測(cè)試界面如圖9所示。

（3）對(duì)系統(tǒng)家電控制功能進(jìn)行測(cè)試：點(diǎn)擊智能家電功能按鈕，手機(jī)上會(huì)出現(xiàn)智能家電窗口界面，能實(shí)時(shí)顯示家電狀態(tài)信息并能控制家電工作狀態(tài)（如圖10所示）。點(diǎn)擊家電設(shè)備圖標(biāo)可以成功打開(kāi)和關(guān)閉相應(yīng)的家電。

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)手機(jī)監(jiān)控端反映的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫濕度變化和警情與實(shí)際相符，能成功啟動(dòng)安防聲光報(bào)警裝置和動(dòng)排氣扇，也能成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)窗簾和照明燈進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種基于ZigBee輕智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以移動(dòng)終端對(duì)家居狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，家庭安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及家電開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制。利用低功耗ZigBee技術(shù)XBee模塊組建家庭內(nèi)網(wǎng)，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件采用界面設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有無(wú)需人工布線、移動(dòng)性好、操作簡(jiǎn)單、功能可自由搭配和節(jié)能的特點(diǎn)，符合輕智能家居的要求，能夠?yàn)榇蠹姨峁└影踩?、舒適、便利的家居環(huán)境。

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