閆文娟，王水璋

（1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，211135;2.南京達(dá)智通信技術(shù)有限責(zé)任公司，江蘇南京，210013）

0 引言

ZigBee網(wǎng)絡(luò)適于一定距離范圍內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品的管理和控制，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)，可以靈活地構(gòu)建起巨大的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程智能管理監(jiān)控，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更大范圍、更廣應(yīng)用的無(wú)線智能家居系統(tǒng)，給用戶帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全的家居生活。

本文設(shè)計(jì)了一種以ZigBee和GSM/3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的低功耗高性能的無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將其用于家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防系統(tǒng)和家電的控制管理，取得了很好地效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，將家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防系統(tǒng)、家電的控制管理、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，統(tǒng)一管理，采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合GSM/3G無(wú)線通信技術(shù)等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和應(yīng)用管理。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

各節(jié)點(diǎn)硬件電路及其工作原理如下：

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括主處理模塊、傳感電路模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊。傳感電路模塊將采集到的傳感數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)UART數(shù)據(jù)接口送給處理器，處理器將數(shù)據(jù)信息打包處理并通過(guò)數(shù)據(jù)接口送給ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送出去。

無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)，無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)也是以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括主處理模塊、控制電路模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊將接收到的控制命令信息經(jīng)過(guò)UART數(shù)據(jù)接口送給處理器，處理器將數(shù)據(jù)信息解析處理并通過(guò)數(shù)據(jù)接口送給控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的控制管理。

中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)也是以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括主處理模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊。中心節(jié)點(diǎn)將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)UART數(shù)據(jù)接口送給處理器，處理器將數(shù)據(jù)信息解析處理再通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。中心節(jié)點(diǎn)就是用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展和延伸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的范圍。

主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)也是以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括主處理模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊、GSM/3G網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲(chǔ)模塊、接口電路、顯示電路以及告警提示電路等。主控節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)與GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，處理器將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換和處理，再根據(jù)需要選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)或GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。主控節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中管理功能，完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的GSM/3G無(wú)線通信技術(shù)、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)，可以實(shí)時(shí)感知、采集和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息，對(duì)這些信息進(jìn)行處理，并傳送給所需用戶進(jìn)行管理和監(jiān)控。

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于根據(jù)實(shí)際需要靈活組裝使用，以保證系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的實(shí)用性、靈活性、可擴(kuò)展性和可操作性，使系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

系統(tǒng)硬件框圖見圖2。

圖2 無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件框圖

各電路模塊功能如下：

主處理模塊：以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括外圍電路、電源管理電路、接口電路以及告警提示電路等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、控制命令處理、接口數(shù)據(jù)通信、告警提示以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理等，是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。

傳感電路模塊：包括傳感數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)處理電路，可以根據(jù)需求采用不同的傳感器，如：溫濕度、氣體、煙霧、震動(dòng)、紅外傳感器等。

控制電路模塊：包括驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字或開關(guān)量控制、紅外遙控控制等一些控制電路。

顯示電路模塊：包括液晶顯示電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路等，用于顯示需要。

GSM/3G網(wǎng)絡(luò)模塊：以GSM/GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WCDMA模塊為核心，包括其他外圍電路、SIM卡、天線等，其具有小尺寸和低功耗特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、SMS和GPRS信息的高速傳輸。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊：以符合ZigBee(IEEE802.15.4)標(biāo)準(zhǔn)的低功耗高性能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊為核心，包括其他外圍電路、天線等,其支持基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星狀、混合樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等彈性化拓樸設(shè)計(jì)，能在網(wǎng)狀或多次跳接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由。

存儲(chǔ)模塊：用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸或歷史查詢。

接口電路：可以用于連接其他外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品調(diào)試、功能設(shè)置和數(shù)據(jù)通信等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件概述

本系統(tǒng)軟件就是要實(shí)現(xiàn)家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)、家居的安防監(jiān)管、家電的控制管理、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，統(tǒng)一管理，系統(tǒng)要求具有良好的功用性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，故系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式，主要包括：主系統(tǒng)程序模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊、各節(jié)點(diǎn)的功能配置模塊、其他處理模塊等。

軟件總體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件總體框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需要，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，各功能模塊以子函數(shù)形式，便于根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行功能調(diào)節(jié)設(shè)置，易于程序修改和移植。主程序模塊主要是將各模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件開發(fā)采用IAR Embedded WorkbenchEvaluation for MSP430 V3集成開發(fā)環(huán)境，主要包括：

1)傳感數(shù)據(jù)的采集和處理，控制命令的處理和反饋，各功能模塊之間的數(shù)據(jù)通信處理等。

2)多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通信，包含無(wú)線自組織路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)自愈、自組織等協(xié)議算法及實(shí)現(xiàn)。

3)安全可靠性措施，包括復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下鏈路層安全的無(wú)線MAC協(xié)議，檢測(cè)和響應(yīng)策略進(jìn)行反應(yīng)式保護(hù)手段等。

4)應(yīng)用層技術(shù)，包含網(wǎng)絡(luò)層次、網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)管理系統(tǒng)以及應(yīng)用層系統(tǒng)軟件等。

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

目前本系統(tǒng)在一些家居環(huán)境中安裝并運(yùn)行，系統(tǒng)總體性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其是在簡(jiǎn)化設(shè)備安裝布線，提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便攜性以及遠(yuǎn)距離監(jiān)控等方面效果十分顯著。傳感節(jié)點(diǎn)被分布在家居的需要監(jiān)測(cè)的地方，每隔15分鐘（可調(diào)）采集一次環(huán)境的溫濕度信息并發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)GSM/3G網(wǎng)絡(luò)的SMS、GPRS或其他方式和把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩綦娔X或手機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中管理功能，完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控管理?？刂乒?jié)點(diǎn)安裝在需要控制管理的電器附近，無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)接收和執(zhí)行中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的管理控制命令對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理控制，達(dá)到自動(dòng)或手動(dòng)控制管理。

同時(shí)，該系統(tǒng)具有安防報(bào)警和自動(dòng)控制功能，當(dāng)傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)能用對(duì)外發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)通知用戶進(jìn)行處理。本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，有著重要的實(shí)際意義和廣闊的市場(chǎng)前景。

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