羅學(xué)成

摘要：伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合發(fā)展，極大地滿足了人們對智能家居系統(tǒng)的開發(fā)要求。針對現(xiàn)有的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)過于簡單，且軟硬件配置落后，功能單一，沒有遠程智能終端及維護困難且擴展性差的問題。該文提出了經(jīng)由ZigBee3.0協(xié)議的云模組設(shè)計將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)中，經(jīng)過信息處理和決策，能夠?qū)抑邢嚓P(guān)設(shè)備進行遠程用戶、家庭網(wǎng)關(guān)之間信息交互，遠程用戶能夠查詢、控制、注銷操作，從而實現(xiàn)遠程統(tǒng)一監(jiān)控和集中監(jiān)控協(xié)同模式，其實踐具有一定現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee3.0協(xié)議；傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；研究

中圖分類號：TP393? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0079-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來越體現(xiàn)在智能家居中，通常被稱為智慧房屋。本文也是圍繞基于ZigBee3.0協(xié)議的云模組下無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)在家居上的設(shè)計應(yīng)用進行分析，其涉及房屋的基建、信息通信、家電網(wǎng)絡(luò)等基本上是圍繞人們?nèi)粘＞幼〉姆课轂榛A(chǔ)，服務(wù)使用者的起居進行整合和結(jié)構(gòu)化的人工智能系統(tǒng)，其形成高效、舒適、安全、綠色、低碳的家庭生活模式[1-2]。智能家居不僅具有全面交互信息作用，而且會隨著自我學(xué)習(xí)升級后為人們的居家生活方式和改善家庭環(huán)境帶來更多的影響。通過諸如充當(dāng)居家智能保姆，生活助手等角色，可以實現(xiàn)家電自動化操控、光亮度及環(huán)境適時調(diào)配，居家防盜警報系統(tǒng)控制等，同時能完美實現(xiàn)與智能手機互聯(lián)互通，便于進行遠程控制。

1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求

1.1 提供安全保證、適宜的居住條件與便捷的生活方式

可靠的住宅安全保障包括住宅附近的安全、進出住宅的安全、來訪者的管理和防止盜竊、防火和尋求幫助的必要性，以及是否有足夠的先進科學(xué)手段和人員支撐保障，更深入層面的要求還包括財產(chǎn)安全和人員生命安全。當(dāng)下宜居的居住條件側(cè)重于房屋內(nèi)部環(huán)境的調(diào)配，如室內(nèi)溫度和濕度、光照、供水、音樂、空氣、色調(diào)和能源消耗的要求，重點是可優(yōu)化家居條件，包括持續(xù)通風(fēng)、充足的陽光、適當(dāng)使用空調(diào)，進行科學(xué)的管理和合理節(jié)能控制。舒適的生活方式涉及提高家庭對智能控制的進一步需求（例如：互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、家庭辦公室和居家自動化管理），以及居家如何使用互聯(lián)網(wǎng)資源來享受更多與生活密切相關(guān)的綜合社區(qū)服務(wù)。所謂的互聯(lián)網(wǎng)資源集中在寬帶互聯(lián)網(wǎng)上，寬帶網(wǎng)絡(luò)（包括智能家居和外部公共網(wǎng)絡(luò)）中的嵌入式內(nèi)容服務(wù)已經(jīng)成為提高智能家居生活便利性的主要基礎(chǔ)[3]。

1.2 多層次的數(shù)據(jù)資料交互功能，改善居家生活形式

一般來說，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)交互存在的問題包括：對家電的遠程操控，即可以隨時隨地實現(xiàn)對家電的控制，使用戶能夠?qū)译姴皇軙r間和空間的限制；另外通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在人機交互下實現(xiàn)對燈光的強弱性、光亮度進行遠程操控，從而以提供合適宜居的光線需求；另外也可對室內(nèi)電動門鎖、電動窗簾實施遠程和自感應(yīng)遙控，從而保證對生活環(huán)境光的完全感知，并可隨時調(diào)整家庭光源；安全防御警報應(yīng)通過視頻監(jiān)控、控制和警報隨時監(jiān)控房屋內(nèi)的安全狀況；交互過程中對住宅數(shù)據(jù)的收集有助于記錄溫度和濕度，以及在任何地點和任何時間都可管理住宅建筑的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：首先利用互聯(lián)網(wǎng)遠程采集無線傳感值，對環(huán)境變量進行無線監(jiān)控；其具體是采用ZigBee3.0協(xié)議的云模塊結(jié)合傳感器信息，由以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機；一方面配置由網(wǎng)管技術(shù)檢測網(wǎng)絡(luò)端是否正常運行；另一方面由WEB服務(wù)端技術(shù)和WEB客戶端技術(shù)，實現(xiàn)信息檢索、信息交換、信息處理等便捷的信息服務(wù)功能。管理者使用瀏覽器就能及時獲得居家環(huán)境系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)系數(shù)等知訊，同時也集成監(jiān)控信息的存儲，顯示監(jiān)控系數(shù)的變化、歷史信息的檢索和異常的自動警報等。由于本案智能家居監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)計是以GPRS為數(shù)傳模式，并在網(wǎng)管主機空間和部分網(wǎng)絡(luò)之間布局安全防御、環(huán)境和性能監(jiān)控，針對wirings For GPRS系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)施和應(yīng)用互鎖效應(yīng)，其系統(tǒng)框架示意圖見圖1所示[4]。

從圖1可以看出，GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通信通道，其是連接監(jiān)控主機和其余模塊的集線器。監(jiān)控系統(tǒng)中的各設(shè)備均與GPRS實現(xiàn)互聯(lián)互通，監(jiān)控主機經(jīng)GPRS和互聯(lián)網(wǎng)進行連接，以GPRS從監(jiān)控終端采集數(shù)據(jù)并進行分析存儲、判別環(huán)境、系統(tǒng)等，終端設(shè)備是否處于工作狀態(tài)，如果信息數(shù)據(jù)存在異常，則異常情況自動觸發(fā)警報推送至使用者手機上。通過WEB能在瀏覽器上直接登錄客戶云端，能輕松獲得系統(tǒng)主機、數(shù)據(jù)情況、錯誤報告、遠程控制等操作，從而實現(xiàn)管理人員無須到場，即遠程控制及故障查找、系統(tǒng)維護的功能。

本案智能家居監(jiān)控系統(tǒng)不單單能實現(xiàn)GPRS及互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控，而且還監(jiān)控系統(tǒng)本身進行自檢，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性。對于系統(tǒng)性能監(jiān)控的需求，復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)可以分為兩個大的管理功能模塊，一個屬于系統(tǒng)監(jiān)控模塊，另一個屬于管理模塊。

3 硬件設(shè)計

現(xiàn)有智能家居監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)比較簡單，軟硬件配置滯后。針對這種情況，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)由ZigBee3.0協(xié)調(diào)器、微傳感裝置、鏈路等組成。其系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其構(gòu)建了基于ZigBee3.0的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議云模塊網(wǎng)絡(luò)，利用各位置部署的傳感器，進行微型化、數(shù)字化、智能化的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將測量數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器進行進一步處理[5]。另外，考慮到需要為設(shè)備的遠程控制分配引擎，即需要在家用電器旁邊設(shè)置節(jié)點。

3.1 ZigBee3.0協(xié)調(diào)器的選擇

本設(shè)計采用的ZigBee3.0協(xié)調(diào)器為DTK公司研發(fā)生產(chǎn)的DRF1605ZigBee自動組網(wǎng)模塊，用戶能夠在對ZigBee3.0協(xié)議不清楚的情況下將串口數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)。DTK在模塊內(nèi)內(nèi)置了所需的ZigBee3.0交互協(xié)議，因此所有的處理都可以在基于ZigBee3.0協(xié)議的云模塊內(nèi)自動完成，見圖3 DRF1605ZigBee底板的結(jié)構(gòu)圖[6]。

如圖3所示，DRF1605ZIGBEE模塊底部具有串行端口，能對各種串行通信協(xié)議進行互通，實現(xiàn)高效透明運行數(shù)據(jù)。因此，在規(guī)劃基于ZigBee3.0協(xié)議的云模塊集成節(jié)點時，需要實現(xiàn)串行通信和以太網(wǎng)功能，聚合節(jié)點的設(shè)計才能成功執(zhí)行。

3.2 傳感器選型與設(shè)計

基于性能與成本考慮，本次配置OMEGA溫濕度傳感器，其性能穩(wěn)定及質(zhì)量可靠。而紅外傳感器選用煒盛的RDB226-S，兩者配合能達至最優(yōu)的性價比，具體如下所述[7]。

3.2.1 溫濕度傳感器

OMEGA溫濕度傳感器，性能穩(wěn)定，測溫范圍廣泛，精度高，校準(zhǔn)和質(zhì)量保證。它能夠快速識別出當(dāng)前環(huán)境中溫濕度的變化量，而且它體型小，耗能低，抗干擾能力良好，相當(dāng)適宜應(yīng)用在ZigBee3.0協(xié)議云模塊節(jié)點中，能夠很好地起到針對居住環(huán)境進行有效監(jiān)控的作用，另外該硬件在一定程度上能準(zhǔn)確運算出模擬量，對環(huán)境探測及傳輸相當(dāng)高效。

3.2.2 紅外傳感器

本案的紅外傳感器RDB226-S屬于煒盛公司的型數(shù)字熱釋電傳感器系列。該模塊下為敏感元件與信號處理芯片集成的傳統(tǒng)設(shè)計，敏感元件與IC芯片集成在傳感器屏蔽罩內(nèi)，感測元件通過監(jiān)控空間采集人體在定義范圍內(nèi)移動時產(chǎn)生的紅外信號，以差分輸入的形式傳輸?shù)礁呔戎悄軘?shù)字處理芯片進行處理，并對信號源進行處理，使傳感器直接輸出數(shù)字信號，方便程序執(zhí)行。而且設(shè)計時考慮到合成紅包輻射區(qū)與高敏區(qū)交替轉(zhuǎn)變的特點，其能極大程度地使得靈敏度得到改善，并使得檢測的范圍得到擴大。

4 軟件設(shè)計

在本案的架構(gòu)設(shè)置方面采用星形網(wǎng)格拓撲的形式，在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器節(jié)點和末端節(jié)點兩部分。因此ZigBee3.0協(xié)議的云模組重點配置了節(jié)點協(xié)調(diào)器和末端節(jié)點的設(shè)計。在本設(shè)計的系統(tǒng)中，采用的ZigBee3.0協(xié)議的云模組棧是Z-Stack協(xié)議棧，ZigBee3.0協(xié)議的云模組節(jié)點的軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for Arm的最新9.30版本，它也是z-stacks的首選軟件開發(fā)環(huán)境。由于z-stack已經(jīng)完成了zigbee的開發(fā)，包括物理層、mac層、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層框架，僅對z-stack提供的接口調(diào)用，便可應(yīng)用程序開發(fā)，從而縮短前期的開發(fā)時間。啟動ZigBee3.0協(xié)議云模塊協(xié)調(diào)器，初始化網(wǎng)絡(luò)，再逐步將最終節(jié)點添加到網(wǎng)絡(luò)中。

首先對CC2530芯片、Z堆棧協(xié)議棧、串口及相關(guān)硬件設(shè)備進行初始化，構(gòu)建ZigBee3.0網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的云模塊協(xié)調(diào)器置于循環(huán)檢測狀態(tài)，能夠響應(yīng)最終節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，同時最終節(jié)點設(shè)備也開始運行掃描標(biāo)記。當(dāng)終端節(jié)點分析協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)時，節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)信息初始化網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的請求指令，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點請求指令，立即響應(yīng)確認信息，并為終端節(jié)點分配16位短地址建立鏈路，這樣協(xié)調(diào)器就可以連接到最終節(jié)點并實現(xiàn)通信。而終端節(jié)點通電后，會進行主動分析通信范圍，找到建立網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)協(xié)議。如果終端節(jié)點在分析周期內(nèi)接收到該標(biāo)記，并且使發(fā)出該標(biāo)記的協(xié)調(diào)器具有足夠的地址資源，則終端節(jié)點可以加入網(wǎng)絡(luò)。

在整個過程中，協(xié)調(diào)器向最終節(jié)點發(fā)出兩個確認幀，即請求網(wǎng)絡(luò)訪問指令確認幀的最終節(jié)點和相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)請求幀。終端節(jié)點接收到關(guān)聯(lián)的應(yīng)答請求幀后，對報文進行應(yīng)答，確認并接收到協(xié)調(diào)器應(yīng)答的短地址和擴展地址信息，等待網(wǎng)絡(luò)進入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點也將接收到對網(wǎng)絡(luò)接入請求的應(yīng)答，如果協(xié)調(diào)器可以通過該應(yīng)答器正式建立連接網(wǎng)絡(luò)，則可以實現(xiàn)通信。實現(xiàn)流程見圖4所示。

5 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)將越來越普及。針對該設(shè)計總體而言，采用了ZigBee3.0協(xié)議云模塊搭載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由遠程訪問設(shè)備、網(wǎng)關(guān)控制器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊三部分組成。其中，遠程訪問設(shè)備主要是由微機、可移動通信設(shè)備組成；而網(wǎng)關(guān)控制器則依賴路由器、無線網(wǎng)互饋構(gòu)建，其以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊作為核心單元是ZigBee3.0協(xié)議的云模塊協(xié)調(diào)器、電器控制節(jié)點、無線傳感器檢測部分等組成?？v觀整個系統(tǒng)其基本上可以實現(xiàn)對室內(nèi)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實時準(zhǔn)確測量和顯示，使用者能夠及時了解室內(nèi)環(huán)境情況，從而快速有效地控制家用電器運轉(zhuǎn)。經(jīng)使用調(diào)試后發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)過作具有低成本、低功耗、線路簡單，易實現(xiàn)，可擴展性強等特點，具有很廣闊的應(yīng)用空間和現(xiàn)實意義。

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【通聯(lián)編輯：梁書】