摘  要： 根據ZigBee技術及家庭控制網絡通信的特點，設計出由ZigBee無線節(jié)點和嵌入式網關組成的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中引入多種傳感器采集環(huán)境信息，能夠遠程控制家電設備，用戶能通過手機APP和短信息方式查看系統(tǒng)信息并接收報警。

　　關鍵詞： 物聯(lián)網；智能家居；ZigBee；無線傳感網絡

0 引言

　　科技的進步以及人們物質生活水平的提高，逐漸推動了智能家居概念的出現?，F在，身為物聯(lián)網的十大應用領域之一，智能家居的應用與生活息息相關。各種無線通信技術的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的智能化和遠程控制成為一種現實[1]。對于家庭網絡通信而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，網絡容量大，家電設備多，所以要求信息實時性好、時延短、成本低[2]。ZigBee作為一種新興無線網絡通信技術，它的低成本、低功耗和較寬的覆蓋范圍，使其應用在智能家居領域具有很大的優(yōu)勢[3]。針對目前市場上的智能家居產品結構復雜、通用性能不強及用戶體驗不佳等問題，本文設計并實現了一種更為完善的智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設計

　　1.1 系統(tǒng)構成

　　智能家居系統(tǒng)主要由家庭網關、ZigBee模塊、GSM／GPRS模塊、Wi-Fi模塊、液晶觸摸屏、各類傳感器以及手機軟件終端等組成。家庭網關是整個系統(tǒng)的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調器負責無線采集和控制網絡的鏈接、數據的分析以及指令的下達；ZigBee各模塊則是采集環(huán)境信息并根據指令對底層設備進行控制。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　用戶可通過遠程網絡或者手機軟件把控制命令發(fā)送給家庭網關，由ZigBee協(xié)調器對下面負責環(huán)境信息采集或控制家電的各個ZigBee模塊進行控制，家庭網關也能通過GPRS或Wi-Fi向手機軟件反饋設備運行狀況和采集到的數據。當設置在家中的傳感器探測到有異常情況時，不僅家中的報警器會開始報警，系統(tǒng)還會通過GSM／GPRS模塊向用戶的手機發(fā)送報警短信。

　　1.2 ZigBee網絡拓撲結構

　　ZigBee的網絡拓撲結構主要有3種：星形、樹形、網形。星形網結構簡單，成本低，但是通信會受到距離的限制，覆蓋范圍小；樹形網存在路由，所以覆蓋范圍比星形網要大，但是一旦某個路由發(fā)生故障，與其相連的節(jié)點就會從網絡中斷開；網形網結構較復雜，覆蓋范圍大，可靠性能較高。

　　居住面積不大的家庭用星形網有較高的性價比，如果居住面積較大則用網形網絡會有更好的效果。本智能家居系統(tǒng)選用星形網絡建立拓撲結構。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1家庭網關主控制器

　　本智能家居系統(tǒng)的設計中，網關主控制器的控制芯片采用了三星公司的S3C6410，它是16/32位RISC微處理器，采用ARM1176JZF-S內核，主頻達到667 MHz，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求。S3C6410支持最大分辨率為1 024×1 024的TFT 24 bit LCD屏，具有2路IIC、4路UART以及全功能的SPI，它還有兩個PCM Audio接口、兩個USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進行外圍擴展。S3C6410價格低、性能高且功耗低，完全符合本設計要求。在添加了電源模塊、GSM／GPRS模塊、觸摸屏以及Wi-Fi模塊等外圍電路后，便組成了家庭網關主控制器。網關內核心模塊關系圖如圖2所示。

　　2.2 ZigBee模塊

　　本設計中ZigBee模塊分為射頻收發(fā)模塊和底層控制板兩個部分。

　　射頻收發(fā)模塊采用美國德州儀器公司的CC2530芯片作為控制芯片。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網絡節(jié)點，能夠友好地支持低功耗無線通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個8位撥碼開關輸入、2路數字量輸入、2路數字量輸出、1路模擬量輸入、1路模擬量輸出以及1個IIC總線接口。其中，ZigBee協(xié)調器模塊通過RS232串口與家庭網關相連接。底層控制板的通用性良好，根據8位撥碼開關可選擇自身的功能，用戶能夠根據需求對底層的節(jié)點進行擴展。

　　2.3 GSM／GPRS模塊

　　本設計中采用了晨訊科技的GSM／GPRS模塊SIM300。SIM300是小體積即插即用模組中完善的GSM／GPRS解決方案，它內嵌強大的TCP／IP協(xié)議棧，能夠以小尺寸和低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動附著在GPRS網絡上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)遠端用戶設備和控制中心的數據[4]。網關通過RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話、發(fā)短信。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件的設計包含3個部分：網關控制部分、ZigBee網絡部分以及手機應用軟件。系統(tǒng)軟件結構圖如圖3所示。

　　3.1 網關主控制器的程序設計

　　網關主控制器采用Linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。它的驅動程序非常豐富，支持多任務及各種主流的硬件設備，用戶可以根據自己的需求對它進行修改。

　　網關初始化之后可以接收來自手機端和觸摸屏的命令及ZigBee協(xié)調器的數據，之后根據命令和對數據分析的結果通過ZigBee協(xié)調器向底層設備發(fā)送控制指令，并將底層設備的運行狀態(tài)通過Wi-Fi發(fā)送至手機軟件。網關的主程序流程圖如圖4所示。

　　3.2 ZigBee模塊的程序設計

　　ZigBee模塊的程序包含了協(xié)調器和子節(jié)點兩個部分。

　　協(xié)調器是整個ZigBee網絡的核心，負責整個ZigBee網絡的建立、節(jié)點之間信息的傳遞以及和家庭網關交換數據。

　　協(xié)調器在初始化之后開始自動掃描，若有節(jié)點申請加入網絡，協(xié)調器會檢查該節(jié)點是否入過網，若是沒有，協(xié)調器會給該節(jié)點分配一個16位的網絡地址和節(jié)點編號并在節(jié)點地址表中增加該節(jié)點的信息。協(xié)調器會收集子節(jié)點發(fā)送的數據，并按設定好的周期和數據格式將其送至家庭網關；家庭網關向協(xié)調器傳達命令后，協(xié)調器通過分析再將命令轉發(fā)至相應的節(jié)點。協(xié)調器的程序流程圖如圖5所示。

　　子節(jié)點由環(huán)境數據采集、安防報警和家電控制3個類型組成。子節(jié)點初始化之后向協(xié)調器申請入網，申請通過后會被分配一個網絡地址和一個獨有的編號，接著子節(jié)點會開始與協(xié)調器進行數據信息交換。環(huán)境采集節(jié)點通過傳感器周期性地采集溫濕度、光照度以及空氣質量等數據并將這些數據上傳至協(xié)調器，若是某一數據超過了設定范圍，便會發(fā)出相應的設備控制命令使之回到設定范圍內。安防報警節(jié)點則包含玻璃破碎、煙霧、二氧化碳濃度、燃氣、紅外對射等傳感設備，當某一節(jié)點觸發(fā)了報警信息，則該節(jié)點會將此信息上傳至協(xié)調器并啟動警報。家電控制節(jié)點會將其連接的家電運行狀況上傳至協(xié)調器，并通過網關和協(xié)調器的控制命令對家電進行控制。

　　3.3 應用控制軟件的設計

　　本系統(tǒng)的應用軟件便是基于Android系統(tǒng)設計的，開發(fā)平臺為Eclipse。手機軟件包含界面美化、系統(tǒng)模式切換、報警短信接收設置、節(jié)點信息查看以及家電控制幾個部分。軟件界面設計盡可能簡單、美觀且人性化，軟件截圖如圖6所示。

　　其中，系統(tǒng)模式分為離家／在家、白天／夜晚和正常／睡眠6種。當選擇離家模式時，系統(tǒng)會將所有的安防報警節(jié)點全部啟用，并在觸發(fā)報警后將報警短信發(fā)送至設定好的手機號碼；選擇在家模式時，系統(tǒng)會部分布防并通過警報器來報警；白天／夜晚模式通過光照度來自動切換，系統(tǒng)也會根據光照度來對窗簾進行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應燈開始啟用，并且設定為弱光避免刺激眼睛。

　　通過Wi-Fi與家庭網關進行連接，用戶不僅可以根據設定在手機軟件上分房間查看各節(jié)點設備的工作狀況和采集到的數據，而且還能直接通過手機軟件對接入系統(tǒng)的家電進行控制。

4 系統(tǒng)模擬測試

　　將設計好的系統(tǒng)搭建在一個小屋當中，硬件全部開啟之后打開手機軟件連接Wi-Fi并登入系統(tǒng)。子節(jié)點采集到的環(huán)境數據在觸摸屏和手機上都能查看到，并且通過觸摸屏和手機下達的指令能夠很好地執(zhí)行；模式切換時節(jié)點工作無異狀，安防報警正常工作。經過24小時測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，各項性能也都符合設計的要求。實際搭建好的系統(tǒng)如圖7所示。

5 結論

　　本文設計了一種基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的整體構架，給出了硬件設備和軟件的實現方法。相對于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)而言，本設計結構簡單、成本較低、便于擴展且避免了復雜的布線問題；同時因智能手機軟件的加入，使整個系統(tǒng)的操作變得更加便利，用戶體驗度提高?；赯igBee底層控制板的通用性，用戶能夠根據需求改變節(jié)點的功能，更加人性化?？傮w來說，本系統(tǒng)具有良好的實用性、穩(wěn)定性和安全性，很適合在家庭、公司等場合使用。

　　參考文獻

　　[1] 李新春，趙雙華.基于ARM與GPRS的家庭智能控制系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機系統(tǒng)應用，2010，19（5）：227-229.

　　[2] 徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設計[J].電子技術應用，2013，39（8）：80-83.

　　[3] CHALLOO R， OLADEINDE A， YILMAZER N， et al. An overview and assessment of wireless technologies and coexistence of ZigBee， bluetooth and Wi-Fi devices[J]. Procedia Computer Science，2012（12）：386-391.

　　[4] 陳滟濤，楊俊起，康潤生，等.基于SIM300的短信傳輸系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機工程與科學，2008，30（3）：156-158.