一種基于ZigBee的智能家居環(huán)境信號采集與控制系統設計

作者/ 戚仕鵬¹ 謝屈波¹ 何山² 1.華中科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(湖北 武漢 430074) 2. 華中科技大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院(湖北 武漢 430074)

摘要：本設計基于德州儀器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee協(xié)議與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)混合的方式，實(shí)現感知家居的環(huán)境參數采集和遠程家電控制功能。系統設計簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、功耗低、穩定可靠，具有較強的實(shí)用性和廣闊的市場(chǎng)前景。

引言

　　伴隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各類(lèi)民用級電子產(chǎn)品開(kāi)始能夠連接云端，帶有APP的智能硬件如雨后春筍般涌現到消費電子市場(chǎng)，其中不乏適用于家用環(huán)境的智能家居類(lèi)設備。智能家居作為一項提出多年的概念，由于缺乏統一的行業(yè)標準，各大品牌的設備相互不能兼容，所以一直沒(méi)有得到騰飛式的發(fā)展。谷歌收購NEST溫控設備，蘋(píng)果公司發(fā)布HomeKit，微軟發(fā)布WinXiot版本，預示著(zhù)國外IT巨頭看好智能家居市場(chǎng)并積極布局。

　　作為隱藏在智能家居背后的通訊協(xié)議，除了普通居民耳熟能詳的Wi-Fi(家用局域網(wǎng))外，低功耗的短距離傳輸協(xié)議(如ZigBee、藍牙和Zware等)也已發(fā)展成熟穩定，物聯(lián)網(wǎng)使得設備間也能相互通信。不同品牌設備之間的開(kāi)放與互聯(lián)互通，將原有的信息孤島相互聯(lián)系起來(lái)將成為未來(lái)的大趨勢。2016年3月8日，海爾向開(kāi)發(fā)者開(kāi)放了U+平臺，美的集團也向第三方開(kāi)放了M-Smart的SDK(軟件開(kāi)發(fā)工具包);3月31日，微軟也發(fā)布了MS Bot Framework機器人框架，巨頭們的紛紛表率預示著(zhù)更多的廠(chǎng)商將會(huì )開(kāi)放自身的軟硬件平臺，使得家電設備，以及越來(lái)越多的智能硬件單品可以整合到一起。

　　舊版本的智能家居系統大多采用總線(xiàn)控制，裝修布線(xiàn)的成本非常高，并且嚴重降低用戶(hù)體驗。新一代智能家居產(chǎn)品以小米和華為的最新產(chǎn)品為例，均采用Wi-Fi與ZigBee協(xié)議。本文介紹了一種兼容性強、性?xún)r(jià)比高的環(huán)境信息采集和家電控制系統。

1 系統概述

　　要實(shí)現一套性?xún)r(jià)比較高的智能家居系統，所需的功能由用戶(hù)的核心需求來(lái)決定。根據馬斯洛需求層級，生理和安全方面的需求應當放在首要實(shí)現的位置，實(shí)現的功能必須包含安全防盜、火警、有害氣體檢測和危險情況及時(shí)報警;其次是生活的便利化，包括對家庭環(huán)境的隨時(shí)隨地查看，家電的遠程控制等;最后是需求的個(gè)性化，例如SOHU辦公、孕嬰或行動(dòng)不便、視力障礙或聽(tīng)覺(jué)障礙等情況，是用戶(hù)分散的長(cháng)尾需求指標。用戶(hù)用例如圖1所示，通過(guò)PC電腦瀏覽器或移動(dòng)APP均可實(shí)現，本文重點(diǎn)實(shí)現移動(dòng)端。

　　根據用戶(hù)的需求，考慮實(shí)際的居家場(chǎng)景和使用習慣，本文介紹一種可行的解決方案。首先，環(huán)境參數采集需要使用傳感器，包括溫濕度、被動(dòng)人體紅外、光照強度、煙霧及瓦斯探測;若增加成本，可以加入攝像頭和PM2.5檢測傳感器;其次，為了降低裝修布線(xiàn)成本，采用無(wú)線(xiàn)方式，即無(wú)需布線(xiàn)。通訊協(xié)議優(yōu)先考慮WLAN+ZigBee混合的方式是由于WLAN的普及程度高，ZigBee協(xié)議的功耗低(可以使用電池工作)，且覆蓋半徑(有墻干擾約20m)比藍牙高。最后，為了實(shí)現遠程查詢(xún)控制，云端服務(wù)器和移動(dòng)端APP將是最便利的途徑。整套系統的抽象架構框架如圖2所示。

　　綜合考慮系統實(shí)現的性?xún)r(jià)比來(lái)進(jìn)行硬件芯片的選型。關(guān)于網(wǎng)絡(luò )攝像頭和智能家電，其具體的連接參數和控制接口都在各自設備的官網(wǎng)指定，例如海爾的U+和美的的M-smart。為了降低裝修成本，采用低功耗的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議，并將設備直接黏貼在墻上，用電池工作是最快捷、最經(jīng)濟的方案，也是目前絕大多數廠(chǎng)商的選擇。再綜合考慮兼容性問(wèn)題，例如小米和華為的智能家居設備已經(jīng)采用了ZigBee協(xié)議，通過(guò)Z-stack協(xié)議棧即可相互通信，所以我們選擇德州儀器提供的CC2530解決方案，穩定性強且價(jià)格較低。其中，每個(gè)房間都可以安裝一個(gè)設備來(lái)采集信息(由用戶(hù)決定)，從設備節點(diǎn)作為路由節點(diǎn)(Router)實(shí)現快速組網(wǎng)和通訊。主節點(diǎn)的CC2530芯片工作狀態(tài)為協(xié)調器(Coordinator)，負責整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調和組織，然后通過(guò)ESP8266芯片將ZigBee的信號轉換成TCP/IP協(xié)議的WLAN數據。這樣，只要家中有無(wú)線(xiàn)路由器，即可聯(lián)通所有設備，從而兼容更多其他設備。關(guān)于主控設備，可以在云端服務(wù)器，可以是PC機，也可以是更低功耗的嵌入式設備，例如小米和360的路由器;如果追求功能簡(jiǎn)單穩定，甚至可以是單片機設備。

　　如圖3所示，整套系統分為傳感器采集與傳輸、初始化配置、家電控制、安防報警和云端移動(dòng)端服務(wù)五大核心模塊，包含并具體實(shí)現圖1中的用例需求。

2 軟硬件實(shí)現

　　關(guān)于傳感器的選型，如表1所示為高性?xún)r(jià)比實(shí)現智能家居核心所需的部分配件，可以選擇的傳感器有超過(guò)二十種，均可通過(guò)網(wǎng)購獲得。

　　硬件設備選型：德州儀器CC2530開(kāi)發(fā)板是由若干(從節點(diǎn))自制傳感器集成的裝置，如圖4所示。CC2530+ESP8266開(kāi)發(fā)板(主節點(diǎn))、pcDuino開(kāi)發(fā)板(主控設備)、無(wú)線(xiàn)路由器一枚(可選)和移動(dòng)設備(iOS和Android)。

　　圖4中通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，整合miniUSB電源和7號干電池供電，當設備掉電時(shí)，可以馬上接通電池，保障穩定運行;通過(guò)GPIO接口將傳感器數據采集到第一轉接單元(如圖5);將數據預處理后，通過(guò)第二轉接單元(如圖6)發(fā)送到CC2530芯片(如圖7)，通過(guò)ZigBee協(xié)議將數據發(fā)送到主節點(diǎn)。