劉 瑋

(西北師范大學(xué) 知行學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 瑋

(西北師范大學(xué) 知行學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

針對傳統(tǒng)智能家居通用性較差、維護(hù)過程較為復(fù)雜的問題。提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無線智能家居控制與實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)方案利用已普及的ARM9處理器為數(shù)據(jù)處理中樞，利用ZigBee協(xié)議進(jìn)行星型拓?fù)浯罱o線網(wǎng)關(guān)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、交換、控制，并對部分網(wǎng)關(guān)通路故障進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)操作直觀、維護(hù)簡單，增強(qiáng)了智能家居控制系統(tǒng)的功能拓展性，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)在無人環(huán)境下的高效智能化管理。

ZigBee；Linux；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)功能較為單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不易于維護(hù)或功能拓展，產(chǎn)品的推廣普及隨之遇到了瓶頸[1]。因此，為了使智能家居系統(tǒng)得到普及，需要對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)控制方式進(jìn)行升級。本文提出了一種以嵌入式系統(tǒng)作為控制中心，ZigBee網(wǎng)關(guān)控制模塊作為主控交互平臺，結(jié)合成熟的4G移動通信技術(shù)，用戶可以實(shí)時(shí)通過圖像監(jiān)控家居安全情況，并可遠(yuǎn)程控制門窗、家用電器的開關(guān)狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)不僅可運(yùn)用在普通家庭中，還可應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程醫(yī)療、小區(qū)物業(yè)管理等無人值守環(huán)境等遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。系統(tǒng)分為包括感知節(jié)點(diǎn)控制、家庭網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程通信3部分。無線感知層的架構(gòu)是在每個(gè)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上集成相應(yīng)的傳感器及數(shù)據(jù)收集傳輸模塊，由傳感器節(jié)點(diǎn)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給家庭網(wǎng)關(guān)[3-5]。系統(tǒng)利用溫濕度、光強(qiáng)度、氣體、攝像頭等傳感器設(shè)備模擬實(shí)現(xiàn)家電開關(guān)控制、安防監(jiān)測環(huán)境功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和開關(guān)量控制，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)通過家庭網(wǎng)關(guān)傳送給家庭控制端，家庭控制端根據(jù)需要完成對傳感控制器的監(jiān)測與控制。

家庭網(wǎng)絡(luò)控制主要由ARM微處理器、ZigBee模塊及相應(yīng)協(xié)調(diào)器、以太網(wǎng)接口模塊、移動控制端和家庭控制端組成，如圖2所示。其中，ZigBee 控制節(jié)點(diǎn)通過拓展的通用接口與家庭控制端收發(fā)數(shù)據(jù)，ZigBee 協(xié)調(diào)器作為數(shù)據(jù)處理中心通過SPI與ARM處理器相連，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集、傳輸。

遠(yuǎn)程通信主要利用電信通信服務(wù)提供商的4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家庭控制端與移動控制端的數(shù)據(jù)交換，負(fù)責(zé)傳輸文字信息、圖像信息及部分視頻片段。

圖1 智能家居設(shè)計(jì)方案示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過傳感層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和移動端控制界面設(shè)計(jì)3個(gè)組成部分來完成系統(tǒng)功能。傳感層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要完成監(jiān)測環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和接收、執(zhí)行控制端發(fā)送回的命令信息。

ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采集傳感層節(jié)點(diǎn)上的室內(nèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)，如溫濕度信息、聲光紅外信息、有害煙霧濃度信息等，將其傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息傳給ARM S3C2440微處理器。ARM9 S3C2440微處理器處理送來的信息、解析移動通信模塊傳來的短信或圖像，將處理后的數(shù)據(jù)返回給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并有感知控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。ZigBee家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵鞲泄?jié)點(diǎn)接入網(wǎng)關(guān)[6]。

移動端控制界面設(shè)計(jì)是用戶通過軟件設(shè)計(jì)移動端操作控制軟件，用來實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)在家庭內(nèi)部感知節(jié)點(diǎn)的分散管理和集中控制。

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感層節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，由設(shè)備初始化、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集與處理、串口通信等模塊。傳感節(jié)點(diǎn)按指定頻率進(jìn)行狀態(tài)采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn); ZigBee網(wǎng)關(guān)在得到請求后，與ARM9 S3C2440微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收狀態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒅骺叵到y(tǒng)命令轉(zhuǎn)發(fā)給傳感節(jié)點(diǎn)[7-8]。

傳感層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。初始化程序后，傳感節(jié)點(diǎn)判斷采集到數(shù)據(jù)是否警戒值，如不需要進(jìn)入正常運(yùn)行采集狀態(tài)，待下次數(shù)據(jù)交換喚醒指令; 如數(shù)據(jù)已達(dá)到警戒值，處理器將采集當(dāng)前傳感器狀態(tài)參數(shù)信息，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳給ARM9 S3C2440微處理器，同時(shí)執(zhí)行預(yù)定的應(yīng)急處理動作。

圖2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)流程

2.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CC2530射頻芯片和Z-Stack協(xié)議棧軟件搭配使用[9-10]。Z-Stack的工作流程可以分為系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、OSAL初始化和任務(wù)輪循幾部分。系統(tǒng)通電后，首先調(diào)用Zmain函數(shù)對系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入OSAL系統(tǒng)調(diào)度函數(shù)，完成初始化后，通過執(zhí)行osal_start_systein()函數(shù)啟動OSAL系統(tǒng)。該任務(wù)按優(yōu)先級檢測各個(gè)任務(wù)是否已經(jīng)就緒。若有就緒的任務(wù)，則調(diào)用tasksArr[]中相應(yīng)任務(wù)處理函數(shù)賴處理該事件，直至所有任務(wù)處理完畢。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件開發(fā)流程

設(shè)計(jì)中OASL任務(wù)主要有：監(jiān)測串口狀態(tài)信息、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)無線狀態(tài)信息。當(dāng)監(jiān)測到有控制信息傳輸時(shí)，將控制信息封裝為通信幀，發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，控制執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)照明控制、煙霧檢測、蜂鳴器報(bào)警等操作。如果有無線信號輸入時(shí)，協(xié)調(diào)器會解析無線通信幀，將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將信息傳輸給家庭控制端和移動控制端。部分軟件代碼

if(addr = nodeNwkAddr[DevTemp])

{

//接收到溫度傳感器數(shù)據(jù)

uintl6 i - 0;

meincpy(&i, msg->Data, 2);

tempStatus = i < 1000;

HalUARTWrite(HAL_UART_PORT_0, msg->Data, 2);

}

else if(addr = nodeNwkAddr[DevSmoke])

{

//接收到煙霧度外傳感器數(shù)據(jù)

………

2.3 控制操作界面設(shè)計(jì)

控制操作界面選用Qt作為控制操作GUI設(shè)計(jì)平臺。Qt是跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架?？刂栖浖捎脩艄芾斫缑?、感知節(jié)點(diǎn)管理與控制、家居環(huán)境參數(shù)設(shè)置、歷史信息查詢與管理等模塊組成[11-14]。用戶管理包括感知層控制、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理等操作模塊；感知層控制包括煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器、光照度傳感器、攝像頭圖像采集等模塊；網(wǎng)關(guān)監(jiān)測包括1～20號通路數(shù)據(jù)傳輸是否正常模塊；數(shù)據(jù)管理包括歷史數(shù)據(jù)存儲、同步、刪除模塊。

3 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試中，選取傳感器進(jìn)行性能測試。測試數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光照等參數(shù)。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、按設(shè)定時(shí)間間隔打包，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)郊彝ズ鸵苿涌刂平K端同步保存、處理和顯示。同時(shí)，測試通過4G傳輸拍攝的實(shí)時(shí)視頻，并模擬了當(dāng)某一網(wǎng)關(guān)通路出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)關(guān)緊急拓展功能[15]。

經(jīng)過試驗(yàn)，用戶可以通過移動控制端控制窗簾開關(guān)、煙霧報(bào)警、紅外報(bào)警、文字圖像信息報(bào)警等，可以通過移動端看到監(jiān)測環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)通路出現(xiàn)故障時(shí)，可進(jìn)行網(wǎng)關(guān)通路緊急更換，操作設(shè)置步驟簡單，部分測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

提出了一種基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)方案利用已普及的ARM9處理器為數(shù)據(jù)處理中樞，利用ZigBee協(xié)議進(jìn)行星型拓?fù)浯罱o線網(wǎng)關(guān)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、交換、控制，并對部分網(wǎng)關(guān)通路故障進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可靠性高、易于控制、可控性強(qiáng)且功耗較低，具有良好的普及性，適合在智能家居等遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

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The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology

LIU Wei

(Zhixing College,Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China)

There are some problems in the traditional smart home, such as poor generality, the complexity in maintenance. A wireless smart home control and implementation scheme based on ZigBee technology is proposed in this paper. This system uses the popularized ARM9 processor as the data processing center. It builds a star topology wireless gateway using ZigBee protocol, which could collect data, analysis, exchange, control them, and implement expansion experiment on the fault in the part of the gateway path. Compared with traditional smart home system, the system is manipulated simply and intuitively, easy to maintain, enhance the functional development of the intelligent home control system. It realized the efficient and intelligent management of the wireless network in the unmanned environment.

ZigBee；Linux；the internet of things；smart home

2016- 09- 01

劉瑋(1981-)，男，碩士，講師。研究方向：ZigBee，WiFi和嵌入式系統(tǒng)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.016

TP277

A

1007-7820(2016)11-051-03