一種基于ZigBee和WiFi技術(shù)的智能家居系統

　　科技的進(jìn)步以及人們物質(zhì)生活水平的提高，逐漸推動(dòng)了智能家居概念的出現?，F在，身為物聯(lián)網(wǎng)的十大應用領(lǐng)域之一，智能家居的應用與生活息息相關(guān)。各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統的智能化和遠程控制成為一種現實(shí)。對于家庭網(wǎng)絡(luò )通信而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，網(wǎng)絡(luò )容量大，家電設備多，所以要求信息實(shí)時(shí)性好、時(shí)延短、成本低。

　　ZigBee作為一種新興無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，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(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。針對目前市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品結構復雜、通用性能不強及用戶(hù)體驗不佳等問(wèn)題，本文設計并實(shí)現了一種更為完善的智能家居系統。

　　1 系統整體方案設計

　　1.1 系統構成

　　智能家居系統主要由家庭網(wǎng)關(guān)、ZigBee模塊、GSM／GPRS模塊、Wi-Fi模塊、液晶觸摸屏、各類(lèi)傳感器以及手機軟件終端等組成。家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調器負責無(wú)線(xiàn)采集和控制網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行控制。系統總體框圖如圖1所示。

　　用戶(hù)可通過(guò)遠程網(wǎng)絡(luò )或者手機軟件把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，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(gè)ZigBee模塊進(jìn)行控制，家庭網(wǎng)關(guān)也能通過(guò)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(shí)，不僅家中的報警器會(huì )開(kāi)始報警，系統還會(huì )通過(guò)GSM／GPRS模塊向用戶(hù)的手機發(fā)送報警短信。

　　1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　ZigBee的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要有3種：星形、樹(shù)形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結構簡(jiǎn)單，成本低，但是通信會(huì )受到距離的限制，覆蓋范圍??；樹(shù)形網(wǎng)存在路由，所以覆蓋范圍比星形網(wǎng)要大，但是一旦某個(gè)路由發(fā)生故障，與其相連的節點(diǎn)就會(huì )從網(wǎng)絡(luò )中斷開(kāi)；網(wǎng)形網(wǎng)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(wǎng)有較高的性?xún)r(jià)比，如果居住面積較大則用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò )會(huì )有更好的效果。本智能家居系統選用星形網(wǎng)絡(luò )建立拓撲結構。

　　2 系統硬件設計

　　2.1家庭網(wǎng)關(guān)主控制器

　　本智能家居系統的設計中，網(wǎng)關(guān)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(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)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(gè)PCM Audio接口、兩個(gè)USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進(jìn)行外圍擴展。S3C6410價(jià)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(wǎng)關(guān)主控制器。網(wǎng)關(guān)內核心模塊關(guān)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(gè)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(gè)真正片上系統解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，能夠友好地支持低功耗無(wú)線(xiàn)通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個(gè)8位撥碼開(kāi)關(guān)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(gè)IIC總線(xiàn)接口。其中，ZigBee協(xié)調器模塊通過(guò)RS232串口與家庭網(wǎng)關(guān)相連接。底層控制板的通用性良好，根據8位撥碼開(kāi)關(guān)可選擇自身的功能，用戶(hù)能夠根據需求對底層的節點(diǎn)進(jìn)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(shí)現語(yǔ)音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動(dòng)附著(zhù)在GPRS網(wǎng)絡(luò )上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)遠端用戶(hù)設備和控制中心的數據。網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話(huà)、發(fā)短信。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件的設計包含3個(gè)部分：網(wǎng)關(guān)控制部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò )部分以及手機應用軟件。系統軟件結構圖如圖3所示。

　　3.1 網(wǎng)關(guān)主控制器的程序設計

　　網(wǎng)關(guān)主控制器采用Linux系統作為開(kāi)發(fā)平臺。它的驅動(dòng)程序非常豐富，支持多任務(wù)及各種主流的硬件設備，用戶(hù)可以根據自己的需求對它進(jìn)行修改。

　　網(wǎng)關(guān)初始化之后可以接收來(lái)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(guò)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(guò)Wi-Fi發(fā)送至手機軟件。網(wǎng)關(guān)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)調器和子節點(diǎn)兩個(gè)部分。

　　協(xié)調器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的核心，負責整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的建立、節點(diǎn)之間信息的傳遞以及和家庭網(wǎng)關(guān)交換數據。

　　協(xié)調器在初始化之后開(kāi)始自動(dòng)掃描，若有節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )，協(xié)調器會(huì )檢查該節點(diǎn)是否入過(guò)網(wǎng)，若是沒(méi)有，協(xié)調器會(huì )給該節點(diǎn)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò )地址和節點(diǎn)編號并在節點(diǎn)地址表中增加該節點(diǎn)的信息。協(xié)調器會(huì )收集子節點(diǎn)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(wǎng)關(guān)；家庭網(wǎng)關(guān)向協(xié)調器傳達命令后，協(xié)調器通過(guò)分析再將命令轉發(fā)至相應的節點(diǎn)。協(xié)調器的程序流程圖如圖5所示。

　　子節點(diǎn)由環(huán)境數據采集、安防報警和家電控制3個(gè)類(lèi)型組成。子節點(diǎn)初始化之后向協(xié)調器申請入網(wǎng)，申請通過(guò)后會(huì )被分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò )地址和一個(gè)獨有的編號，接著(zhù)子節點(diǎn)會(huì )開(kāi)始與協(xié)調器進(jìn)行數據信息交換。環(huán)境采集節點(diǎn)通過(guò)傳感器周期性地采集溫濕度、光照度以及空氣質(zhì)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(guò)了設定范圍，便會(huì )發(fā)出相應的設備控制命令使之回到設定范圍內。安防報警節點(diǎn)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，當某一節點(diǎn)觸發(fā)了報警信息，則該節點(diǎn)會(huì )將此信息上傳至協(xié)調器并啟動(dòng)警報。家電控制節點(diǎn)會(huì )將其連接的家電運行狀況上傳至協(xié)調器，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)和協(xié)調器的控制命令對家電進(jìn)行控制。

　　3.3 應用控制軟件的設計

　　本系統的應用軟件便是基于A(yíng)ndroid系統設計的，開(kāi)發(fā)平臺為Eclipse。手機軟件包含界面美化、系統模式切換、報警短信接收設置、節點(diǎn)信息查看以及家電控制幾個(gè)部分。軟件界面設計盡可能簡(jiǎn)單、美觀(guān)且人性化，軟件截圖如圖6所示。

　　其中，系統模式分為離家／在家、白天／夜晚和正常／睡眠6種。當選擇離家模式時(shí)，系統會(huì )將所有的安防報警節點(diǎn)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(shí)，系統會(huì )部分布防并通過(guò)警報器來(lái)報警；白天／夜晚模式通過(guò)光照度來(lái)自動(dòng)切換，系統也會(huì )根據光照度來(lái)對窗簾進(jìn)行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應燈開(kāi)始啟用，并且設定為弱光避免刺激眼睛。

　　通過(guò)Wi-Fi與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，用戶(hù)不僅可以根據設定在手機軟件上分房間查看各節點(diǎn)設備的工作狀況和采集到的數據，而且還能直接通過(guò)手機軟件對接入系統的家電進(jìn)行控制。

　　4 系統模擬測試

　　將設計好的系統搭建在一個(gè)小屋當中，硬件全部開(kāi)啟之后打開(kāi)手機軟件連接Wi-Fi并登入系統。子節點(diǎn)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(guò)觸摸屏和手機下達的指令能夠很好地執行；模式切換時(shí)節點(diǎn)工作無(wú)異狀，安防報警正常工作。經(jīng)過(guò)24小時(shí)測試，該系統穩定性良好，各項性能也都符合設計的要求。實(shí)際搭建好的系統如圖7所示。

　　5 結論

　　本文設計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統，詳細介紹了系統的整體構架，給出了硬件設備和軟件的實(shí)現方法。相對于傳統的智能家居系統而言，本設計結構簡(jiǎn)單、成本較低、便于擴展且避免了復雜的布線(xiàn)問(wèn)題；同時(shí)因智能手機軟件的加入，使整個(gè)系統的操作變得更加便利，用戶(hù)體驗度提高?；赯igBee底層控制板的通用性，用戶(hù)能夠根據需求改變節點(diǎn)的功能，更加人性化?？傮w來(lái)說(shuō)，本系統具有良好的實(shí)用性、穩定性和安全性，很適合在家庭、公司等場(chǎng)合使用。