一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居監控系統設計

摘要：ZigBee技術(shù)以其低功耗、組網(wǎng)靈活、部署成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。該文提出一種以Tina6410和GSM通信模塊為平臺環(huán)境，基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的智能家居監控系統。系統通過(guò)PIC單片機采集空氣質(zhì)量、溫度和濕度等數據，建立Web服務(wù)，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸到用戶(hù)端，并通過(guò)GSM發(fā)送自動(dòng)報警。用以滿(mǎn)足家居、辦公等室內環(huán)境的監控的無(wú)線(xiàn)、智能化。

隨著(zhù)現代科技的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們對住宅的要求，除了安全性、舒適性之外，更注重它的智能化與網(wǎng)絡(luò )化。美國最早提出了智能家居(Smart Home)的概念，國內很多企業(yè)也競相研究開(kāi)發(fā)智能家居系統。家庭監控系統，作為智能家居系統里一個(gè)重要的應用，已經(jīng)受到眾多企業(yè)和開(kāi)發(fā)人員的關(guān)注。但是早期的系統系統大多采用有線(xiàn)連接方式，在裝修設計時(shí)候布線(xiàn)繁瑣、工程復雜，因此，開(kāi)發(fā)基于無(wú)線(xiàn)通信的智能家居監控系統具有重大意義。

1 傳統家居監控系統

近幾年隨著(zhù)電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及計算機通信技術(shù)的發(fā)展和融合，智能家居已經(jīng)從概念提出的萌芽期到豐富產(chǎn)品設計的融合演變期，國內出現了一些知名智能家居品牌，如物聯(lián)傳感、海爾U—Home、智慧之家、云家等。智能家居中一個(gè)非常重要的應用，是家居安全監控，保障家居的安全性。

傳統的無(wú)線(xiàn)智能家居監控方案中，主要方案包括：采用藍牙、802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，但是編程實(shí)現復雜、芯片價(jià)格較貴;采用紅外控制方案，傳輸距離太短，遇到障礙物而無(wú)法傳輸，同時(shí)在建成的樓房進(jìn)行安裝比較困難;采用控制終端與互聯(lián)網(wǎng)接入方案，其實(shí)現復雜難度高、可擴展性差，同時(shí)費用也比較高，這些技術(shù)的主要缺點(diǎn)有：

1)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)傳輸，多數選擇的是“單片機控制+ZigBee芯片“方案，沒(méi)有模塊化的設計，傳輸天線(xiàn)設計麻煩而且信號穩定度不高。

2)采用的方案多數是同時(shí)存在多個(gè)控制端，互相之間的通信協(xié)議設計非常復雜，效率較低，同時(shí)主次監控端的功能區分不明確，有功能重復的部分。

3)采用的現有方案中，多數缺乏娛樂(lè )功能的開(kāi)發(fā)。

4)采用的監控系統，添加監控模塊較為復雜，可拓展性較差。

因此，根據現有設計方案的狀況，設計一種靈活、可拓展性較強、組網(wǎng)與控制穩定的智能家居監控系統具有較好的實(shí)用價(jià)值。

2 無(wú)線(xiàn)監控系統設計

針對現有無(wú)線(xiàn)智能家居系統存在的主要缺點(diǎn)，本文提出一種無(wú)線(xiàn)、智能化的、主控端功能區分明確、傳輸信息穩定，且具有功耗低，硬件成本低廉，安裝方便的智能家居監控系統。

該系統包括與控制主機連接的ZigBee中心收發(fā)模塊，多個(gè)嵌入在家居設備、報警傳感器或家用電器之內的ZigBee節點(diǎn)模塊和控制電路模塊，ZigBee中心收發(fā)模塊與ZigBee節點(diǎn)模塊之間通過(guò)ZigBee協(xié)議路由無(wú)線(xiàn)發(fā)送數據;控制主機通過(guò)GSM發(fā)送報警信息，通過(guò)Interner網(wǎng)絡(luò )遠程監控家居環(huán)境，并具有家庭娛樂(lè )功能。

圖中相應代碼及其功能：

①紅外檢測部分;

②溫度檢測部分;

③濕度檢測部分;

④氣體檢測部分;

⑤GSM通信模塊;

⑥娛樂(lè )功能部分;

⑦7寸LCD液晶顯示器。

⑧ZigBee無(wú)線(xiàn)通信子模塊MRF24J40。

如圖1，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)智能家居監控系統，其特征在于：主控端所述的控制主要硬件包括Tiny6410核心板、ZigBee模塊、GSM模塊和7寸電阻觸摸屏;用戶(hù)可以通過(guò)遠程的Internet服務(wù)器登錄到本系統中的主控制器界面上，實(shí)現遠程監控家居信息的功能，當家里有遇到什么危險或者是突發(fā)情況的時(shí)候，還可通過(guò)如圖所示的GSM模塊發(fā)送短

信通知給用戶(hù)的主人，所述的控制電路模塊為控制板電路模塊(即主控部分)，從控部分主要由ZigBee子節點(diǎn)、PIC18f4620和各個(gè)被控設備構成，接收Z(yǔ)igBee節點(diǎn)模塊發(fā)送的驅動(dòng)信號，或者接收被控制設備的觸發(fā)信號，并將其傳遞給ZigBee節點(diǎn)模塊;所述的被控設備為紅外報警器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧報警器。

3 系統組成與功能

系統設計的監控系統主要有兩大功能模塊：基于ZigBee技術(shù)組網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和基于嵌入式ARM平臺的Web服務(wù)器。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要功能是實(shí)現各子節點(diǎn)組網(wǎng)與信息傳輸，并及時(shí)向主控制終端反饋信息與狀態(tài)。以ARM內核Tiny6410硬件作為嵌入式平臺，建立Web服務(wù)器，支持TCP/IP協(xié)議，可以與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。用戶(hù)想要實(shí)時(shí)查詢(xún)家庭環(huán)境的信息，可以登陸Internet網(wǎng)絡(luò )，遠程訪(fǎng)問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器(即主控制界面)。

本系統主要實(shí)現以下功能：

1)紅外探測子節點(diǎn)負責環(huán)境變化的監測，遇到非正常狀態(tài)陌生人進(jìn)入，節點(diǎn)發(fā)出觸發(fā)信號，底層控制器PIC18f4620芯片采集的相應數據，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器子節點(diǎn)，同時(shí)通知嵌入式Web服務(wù)器并啟動(dòng)通信模塊，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )往指定的手機用戶(hù)發(fā)送報警信息，用戶(hù)想及時(shí)了解家中的情況，也可以通過(guò)IE瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器，如圖1中的①、⑤部分。

2)系統溫度監測子節點(diǎn)實(shí)時(shí)監視室內溫度，上傳給主控制器Tiny6410并在液晶屏幕上實(shí)時(shí)顯示，主控制器可以設定溫度報警閾值，也可設定是否上傳給Web服務(wù)器，方便用戶(hù)查看。用戶(hù)如需遠程控制，主控制器Tiny6410接收到遠程控制信息，即產(chǎn)生控制命令字，通過(guò)串口與ZigBee協(xié)調器通信，再由ZigBee協(xié)調器發(fā)送給終端子節點(diǎn)，實(shí)現對室內溫度的實(shí)時(shí)調節，如圖1中的②、⑦部分。

3)系統設計的濕度子節點(diǎn)實(shí)時(shí)監測家中環(huán)境的濕度，用戶(hù)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )，登陸嵌入式Web服務(wù)進(jìn)行數據查詢(xún)。同時(shí)濕度檢測子節點(diǎn)也可設定閾值，超過(guò)閾值會(huì )向主控制器發(fā)送報警信息，如圖1中第③部分。

4)煙霧檢測子節點(diǎn)帶有相應的煙霧傳感器，將采集的信號經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳送到主控板。系統可以實(shí)時(shí)監測家中一氧化碳氣體濃度，當檢測值超過(guò)設定的閾值時(shí)，子節點(diǎn)控制系統將迅速啟動(dòng)排氣扇裝置，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)手機發(fā)送報警信息，如圖1中第④、⑤部分。

5)所述的控制器是Tiny6410核心板，CPU允許速度快、功能強大，該模塊可擴展很多的娛樂(lè )功能，例如MP3、MP4具有豐富的家庭娛樂(lè )功能，如圖1中第⑥部分。

6)ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可擴展性強的特點(diǎn)，所組網(wǎng)絡(luò )允許新節點(diǎn)的及時(shí)加入與管理，方便系統拓展新的監控模塊，具有安裝方便和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

4 系統軟件設計

系統主控芯片為ARM內核Tiny 6410控制器，負責整體系統的運行控制、驅動(dòng)調配與界面管理;底層采用PIC公司的PIC18F4620控制器，驅動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信模塊，以ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，負責主從節點(diǎn)間的通信，同時(shí)執行終端控制界面下達的任務(wù)。系統軟件設計的整體流程如圖2所示。

5 系統實(shí)際運行效果

系統采用虛擬QT進(jìn)行實(shí)時(shí)人機界面的開(kāi)發(fā)，它是一款GUI設計軟件，只需要在一個(gè)平臺上面設計好，即可在其它平臺上面直接移植運行，具有較好的平臺適應性。開(kāi)發(fā)的應用程序清晰美觀(guān)，非常適合于嵌入式系統人機交互界面的開(kāi)發(fā)。底層通過(guò)PIC單片機采集溫度、濕度等傳感器信息，通過(guò)ZigBee技術(shù)組網(wǎng)并傳送數據到人機交互界面，方便及時(shí)監控系統的運行狀態(tài)。系統基于A(yíng)RM硬件平臺上的液晶界面運行效果如圖3所示。

6 結束語(yǔ)

本系統以Tina6410處理器為核心，采用PIC18f4620單片機采集底層數據，通過(guò)ZigBee技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統，并建立Web服務(wù)器通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸到用戶(hù)端，同時(shí)可以通過(guò)GSM發(fā)送報警信息。本系統具有功耗低、組網(wǎng)方便、可拓展性強等特點(diǎn)，方便遠端進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，有良好的發(fā)展前景。