荀艷麗 焦庫 張秦菲

摘 ?要： 采用GPRS和ZigBee技術(shù)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過高性能處理和PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，家電傳感器構(gòu)建ZigBee智能家居控制系統(tǒng)，并通過GPRS無線收發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)與遠程手機終端通信。給出系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)及軟硬件實現(xiàn)方法，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲，關(guān)鍵處理流程等。通過實際測試驗證該系統(tǒng)能夠滿足智能家居的遠程監(jiān)控需求，使整個系統(tǒng)真正脫離用戶操作實現(xiàn)智能控制，降低信令交互。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 智能家居; 控制系統(tǒng)設(shè)計; 家電傳感器; GPRS; ZigBee

中圖分類號： TN915.5?34 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0074?03

Abstract： A smart home system based on Internet of Things （IoT） was implemented by using the GPRS and ZigBee technologies. The ZigBee?based smart home control system is established by means of high?performance processing， PAN Coordinator network coordinator， and home appliance sensor. The communication between the system and remote mobile phone terminal is realized by using the GPRS wireless transceiver system. The design architecture， hardware and software realization methods of the system are presented， including network topology and key processing procedure. The actual test verified that the system can meet the remote monitoring demand of smart home， make the whole system truly independent of user operation， achieve smart control， and reduce signaling interaction.

Keywords： IoT; smart home; control system design; home appliance sensor; GPRS; ZigBee

由于智能家居有極大的優(yōu)點，因此隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)也得到了很好的發(fā)展。其中利用電話對智能家居進行遠程控制的技術(shù)也日益用于生活中，人們可以通過手機發(fā)送指令，就能對家中的電器進行操作與監(jiān)控。

1 ?智能家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 ?ZigBee與GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、短時延的大容量無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee采用的物理MAC層協(xié)議是IEEE 802.15.4，工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz三種工業(yè)科學醫(yī)療（ISM）頻段。其中，2.4 GHz頻段全球免費試用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式豐富靈活，具有很強的動態(tài)自組織特性[1]。

GPRS網(wǎng)絡(luò)是2.5G移動通信系統(tǒng)，使用分組交換技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）采用CMNET接入，避免了申請固定IP帶來的繁瑣，只需要插入SIM卡就能方便地連接到Internet[2]。

1.2 ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本模型采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于各節(jié)點距離較近，無需通過路由器擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，只需要協(xié)調(diào)器和各傳感器設(shè)備即可滿足網(wǎng)絡(luò)搭建。協(xié)調(diào)器負責發(fā)起和維護網(wǎng)絡(luò)，并轉(zhuǎn)發(fā)收集信息給高性能處理器（本模型用PC機替代）。高性能處理器根據(jù)智能處理算法對收集信息進行融合決策，并根據(jù)決策結(jié)果來向遠程手機終端發(fā)送請求信息，或向傳感器發(fā)送應(yīng)對執(zhí)行命令。

網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)中各組件詳細描述如下：

1） 信息采集。通過傳感器將家電信息傳遞給ZigBee SoC 模塊。本模型采用最常見的CC2430芯片，該芯片集成了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430芯片最后將信息發(fā)送給PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

2） PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責組網(wǎng)和管理各智能家居傳感器。

PAN Coordinator協(xié)調(diào)器主要完成以下任務(wù)：分配網(wǎng)絡(luò)ID;發(fā)送、傳遞和結(jié)束信息。

3） 高性能處理器（PC機處理器）。高性能處理器是本設(shè)計方案的核心組件，負責整個系統(tǒng)的智能處理，是該模型的核心“大腦”。高性能處理器主要實現(xiàn)以下功能：采集信息的智能分析與處理;信息數(shù)據(jù)存儲與融合。

4） 無線收發(fā)系統(tǒng)。本設(shè)計通過無線收發(fā)系統(tǒng)完成與用戶手機終端間的通信，實現(xiàn)命令的傳遞及智能家居系統(tǒng)信息的應(yīng)答反饋，采用GPRS芯片SIM900模塊實現(xiàn)無線收發(fā)。本設(shè)計借用短信收發(fā)功能，通過短信命令實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)家電信息識別。

1.3 ?智能控制機制

智能控制核心是智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多的智能管理處理能力，減少用戶遠程操作交互。高性能處理器通過實現(xiàn)智能控制處理算法，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部智能控制處理，從而能夠幫助用戶處理絕大多數(shù)任務(wù)和操作交互等。智能控制策略如下：異常處理第一要務(wù)是確保安全;操作記錄和異常告警可跟蹤;智能終端狀態(tài)實時監(jiān)控。

1.3.1 ?異常處理

當高性能處理器接收到傳感器信息包含告警信息時，啟動異常保護操作。異常保護操作具體動作需要根據(jù)異常告警中反饋的傳感器網(wǎng)絡(luò)ID和告警編號進行相應(yīng)處理。

1.3.2 ?操作記錄及異常告警查詢

操作記錄及異常告警可通過發(fā)送查詢命令獲取相關(guān)信息，相關(guān)信息都會在高性能處理器數(shù)據(jù)庫中存儲。

1） 手機端向智能管理系統(tǒng)發(fā)送查詢命令;

2） 智能管理系統(tǒng)收到判斷手機IMSI或MSISDN是否為配置信息，并判斷其操作權(quán)限;

3） 手機端信息判斷無誤后根據(jù)查詢命令判斷命令類型及相關(guān)參數(shù)進行相應(yīng)操作，并繼續(xù)步驟5）操作;

4） 若手機端信息非配置信息或無查詢權(quán)限，智能管理系統(tǒng)拒絕該操作，并向手機端反饋無權(quán)限操作信息;

5） 智能管理系統(tǒng)查詢記錄信息，并做好操作日志記錄;

6） 智能管理系統(tǒng)根據(jù)查詢返回狀態(tài)向手機端發(fā)送查詢結(jié)果。

1.3.3 ?智能終端狀態(tài)監(jiān)控

本系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶對智能終端狀態(tài)實時監(jiān)控功能，用戶通過發(fā)送查詢命令查看整個智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各家電終端的狀態(tài)情況，實現(xiàn)實時監(jiān)控。也可以通過定期向用戶發(fā)送狀態(tài)信息更新消息，實現(xiàn)狀態(tài)信息的實時更新監(jiān)控。因本系統(tǒng)聚焦邏輯能力實現(xiàn)，用戶體驗和更多優(yōu)化方案暫未考慮，暫采取查詢詢問方式獲取監(jiān)控信息。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩部分組成。外網(wǎng)由無線收發(fā)系統(tǒng)（GPRS數(shù)傳模塊）和高性能處理器組成，兩者之間可通過RS 232串口通信，無線收發(fā)系統(tǒng)（GPRS數(shù)傳模塊）采用SIM900模塊。該模塊通過AT指令控制，控制方法簡單，方便系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)。

內(nèi)網(wǎng)由高性能處理器（PC機）和PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、信息采集（智能家居傳感器）三部分組成。信息采集傳感器通過ZigBee無線模塊與PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信。本模型選用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，本模塊中各智能家居傳感器通過CC2430芯片發(fā)送和接收信息實現(xiàn)與PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

在家電模擬控制中，要想通過串口與PC機連接的協(xié)調(diào)器向指定的設(shè)備發(fā)送控制指令，首先需要制定一套控制協(xié)議，以便協(xié)調(diào)器解析，所有的控制指令都是一串具有特性格式的字符串?？刂浦噶钊绫?所示。

指令說明：

1） 設(shè)備編號（NUM）：表示指令的控制對象或指令要求的設(shè)備響應(yīng)編號。

2） 指令類型（TYPE）：表示指令類型，包括SEARCH（查詢），CMD（命令）等。

3） 指令（ORDER）：表示指令的具體含義。例如：查詢指令下的MONITOR（監(jiān)控），LOG（日志）等。

4） 說明（EXP）：對指令說明，在具體執(zhí)行時沒有實際含義，用于編碼和測試，注釋性內(nèi)容。

5） 附加信息（OTH）：保留字段，待用。

3.1 ?實時監(jiān)控

實現(xiàn)對各家電終端狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過遠程手機終端向智能系統(tǒng)高性能處理器發(fā)送狀態(tài)查詢命令。

1） 遠程手機終端發(fā)送實時監(jiān)控命令，命令格式為：

1：SERCH：MONITOR： ： 。

2） 高性能處理器接收請求命令，對命令進行解析，并根據(jù)解析后的命令類型和內(nèi)容及設(shè)備編號等信息查詢對應(yīng)設(shè)備實時狀態(tài)信息。

3） 高性能處理器將查詢到的設(shè)備狀態(tài)信息反饋給遠程手機終端。程序代碼如下：

void ZGManager_GetStatus（uint8 pan_id， String *status）

{

//Save PAN id

if（0 > pan_id）

return;

ZGPANid = pan_id;

status = ZGManager_GetDao（ZGPANid）;

//Get ID status from Database（table name is TBL_TERIDSTATUS）

return;

}

同時，家電終端也會在設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變更時實時向高性能處理器發(fā)送狀態(tài)變更信息，通知高性能處理器及時刷新設(shè)備狀態(tài)信息。

3.2 ?異常告警

當家電設(shè)備出現(xiàn)異常場景時（如洗衣機缺水等），家電設(shè)備傳感器會及時向高性能處理器發(fā)送告警信息。高性能處理器根據(jù)預(yù)置的智能處理方案進行處理，同時向遠程手機終端發(fā)送異常告警信息。當高性能處理器完成相應(yīng)智能處理方案處理后，根據(jù)處理結(jié)果知會遠程手機終端，讓用戶了解當前進展。程序代碼如下：

void ZGManager_AbnormalWarning（uint8 pan_id， uint8 type）

{

//Check Abnormal type

uint8 level = ZGManager_CheckWarningType（pan_id， type）;

//if level low 0， do nothing

if（0 > level）

return;

//update the status and recovery normal auto.

ZGManager_UpdateStatus（pan_id， "Warning"）;

ZGManager_Recovery（pan_id， type）;

//Send warning MSG to user when level over 3

if（3 < level）

ZGManager_SendMsg2Usr（pan_id，type，"Warning"）;

return;

}

4 ?系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本文系統(tǒng)主要包括終端管理、日志管理和配置管理三部分功能。智能管理系統(tǒng)通過操作界面實現(xiàn)家電終端狀態(tài)的實時監(jiān)控，以及家電終端控制、異常恢復和歷史回放等功能。同時為了便于操作跟蹤等目的，添加了日志管理功能，實現(xiàn)操作日志的查詢和設(shè)置。為了實現(xiàn)終端的添加和刪除，連接配置以及系統(tǒng)登錄賬戶管理等功能，系統(tǒng)也設(shè)計了相應(yīng)的配置管理功能，方便相關(guān)參數(shù)配置。智能家居控制管理系統(tǒng)主界面如圖2所示。

該系統(tǒng)家電終端通過模擬接入洗衣機、電冰箱和智能電視三個終端傳感器進行驗證。在實際測試過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠準確檢測傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)家電智能開關(guān)控制與狀態(tài)反饋。通過異常場景模擬，能夠有效地實現(xiàn)智能異常處理。同時，關(guān)聯(lián)手機端也能及時收到異常告警和狀態(tài)變更消息，大大降低了人工干預(yù)力度，實現(xiàn)智能控制。

5 ?結(jié) ?語

本文通過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)分析，以GPRS無線收發(fā)模塊、高性能處理器、PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和CC2430芯片及傳感器設(shè)計開發(fā)智能家居控制系統(tǒng)，闡述了硬件框架設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)流程。本系統(tǒng)旨在打通邏輯實現(xiàn)，更多優(yōu)化控制需要進一步實現(xiàn)。

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