智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：結(jié)合當(dāng)前智慧家居系統(tǒng)功能需求，對(duì)智能家居網(wǎng)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了嵌入式短距離無(wú)線ZigBee通信方式的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)架構(gòu)，基于系統(tǒng)整體架構(gòu)，對(duì)硬件實(shí)施過程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)智慧家居的應(yīng)用及推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能家居；網(wǎng)關(guān)；ZigBee

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)開始應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，并不斷改變著人們的生活和生產(chǎn)方式。智能家居系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)不斷普及時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的典型智慧工程案例，通過應(yīng)用短距離無(wú)線通信方式，將傳感器、家用電器、多媒體等設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與控制。智能家居系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，使用網(wǎng)關(guān)傳感節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸與管理。在智能家居系統(tǒng)中，智能網(wǎng)關(guān)作為統(tǒng)一收集家居環(huán)境中各電氣設(shè)備的信息及運(yùn)行狀態(tài)的重要設(shè)備，對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性作用。通過智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，用戶可以隨時(shí)隨地查看居室環(huán)境、控制家庭中的電氣設(shè)備。因此，采用當(dāng)前主流傳輸技術(shù)——無(wú)線射頻收發(fā)技術(shù)及嵌入式管理平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)，對(duì)開發(fā)及優(yōu)化智慧家居系統(tǒng)具有重要意義。

2 智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能家居系統(tǒng)功能分析

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，智能家居系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)、信息獲取、節(jié)點(diǎn)控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統(tǒng)。

（1）家庭安全子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)廚房安全監(jiān)測(cè)、燃?xì)鈹?shù)據(jù)超標(biāo)監(jiān)測(cè)、廚房報(bào)警，當(dāng)狀態(tài)超出控制范圍，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送警情短信給業(yè)主，或撥打電話給物業(yè)。（2）智能控制子系統(tǒng)：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電視、冰箱、空調(diào)等家電設(shè)備的控制。燈光控制則通過無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、強(qiáng)電智能開關(guān)控制器等設(shè)備的控制。（3）宜居生活子系統(tǒng)：包含生活服務(wù)提示、居室傳感器與家用電器的反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從互聯(lián)網(wǎng)中即時(shí)獲取當(dāng)?shù)靥鞖庑畔?，具有推送信息、提醒等功能。居室傳感器與家用電器的反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫濕度節(jié)點(diǎn)與空調(diào)扇及加濕器等居室溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)、光線節(jié)點(diǎn)與窗簾/照明燈的光線自動(dòng)調(diào)節(jié)、紅外轉(zhuǎn)換器代替多個(gè)遙控器的紅外控制等。（4）系統(tǒng)設(shè)置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動(dòng)家庭安全，關(guān)閉宜居生活；居家模式啟動(dòng)家庭安全，啟動(dòng)宜居生活的基本級(jí)別監(jiān)控；自由模式可根據(jù)用戶生活習(xí)慣自由設(shè)置。在系統(tǒng)設(shè)置中可以預(yù)設(shè)電話，比如業(yè)主或物業(yè)電話等。因此，結(jié)合以上智能家居系統(tǒng)功能，智能網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。

2.2 綜合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在整體系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了綜合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)包含ZigBee可燃?xì)怏w傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee窗簾控制器節(jié)點(diǎn)、ZigBee溫濕度節(jié)點(diǎn)、ZigBee光線傳感器節(jié)點(diǎn)、紅外轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、ZigBee控制插座等。系統(tǒng)架構(gòu)具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)采用先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，通過ZigBee短距離無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)家庭基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)互通，省掉了繁瑣的布線。傳感器/執(zhí)行器采用2.4G頻段，與智能網(wǎng)關(guān)之間以ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接方式，通過Wifi或Ethernet將網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)，或通過GPRS/3G模塊將網(wǎng)關(guān)接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

3 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上對(duì)智能家居系統(tǒng)功能、智能家居綜合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)分析，系統(tǒng)硬件的實(shí)施主要包含智能網(wǎng)關(guān)、可燃?xì)怏w傳感器、無(wú)線窗簾控制器、溫濕度傳感器、無(wú)線插座繼電器等元件。

3.1 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)中的核心構(gòu)件，通過智能網(wǎng)關(guān)， 實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與wifi網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫對(duì)接，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。傳感器感知并采集數(shù)據(jù)后，發(fā)送至此網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸至wifi網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用高性能的四核Cortex-A9核心板，該核心板采用三星Exynos4412作為主處理器，運(yùn)行主頻可高達(dá)1.5GHz，Exynos4412內(nèi)部集成了Mali-400 MP高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，網(wǎng)關(guān)芯片如圖2。

ZigBee網(wǎng)關(guān)的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)且低功耗，且支持無(wú)線更新和大型應(yīng)用程序，可編程輸出功率達(dá)到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)，僅有不到1uA的電流損耗，具有強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎。

3.2 可燃?xì)怏w傳感器實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)選用 MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用于家庭或工業(yè)上的液化氣、煤氣天、燃?xì)獗O(jiān)測(cè)裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對(duì)液化氣、天燃?xì)狻⒚簹廨^好的靈敏度和快速響應(yīng)及恢復(fù)特性。

可燃?xì)怏w的無(wú)線數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

RGA：讀可燃?xì)怏w傳感器

地址段：用于存儲(chǔ)傳感器模塊地址

命令：RGA

讀取成功返回后的數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

地址：加入傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：GAzzz（3字節(jié)ASCII碼數(shù)據(jù)）

可燃?xì)怏w傳感器測(cè)試ASCII數(shù)據(jù)為“123”表示可燃?xì)怏w的ADC采樣值為0x7B。

3.3 無(wú)線窗簾控制器實(shí)現(xiàn)

通過ZigBee模塊無(wú)線控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)窗簾的開啟與閉合。該模塊分兩路對(duì)窗簾進(jìn)行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙層窗簾家居應(yīng)用的要求。

窗簾控制器的無(wú)線通信數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。

TDP：窗簾控制器

地址：用于存儲(chǔ)傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：yy == D1/D2 +0/1/2endprint

D1/D2：表示窗簾1或2

0/1/2：0表示窗簾開 1表示窗簾關(guān)，2表示暫停

3.4 溫濕度傳感器選型

選用SHT1x，包括 SHT10， SHT11和SHT15型號(hào)。SHT1x屬于 Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板。

溫濕度節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信數(shù)據(jù)包格式如圖7所示。

RSH：讀高精溫濕度傳感器

地址段：用于存儲(chǔ)傳感器模塊地址

命令：RSH

WD代表溫度傳感器，SD代表濕度傳感器

圖8 返回?cái)?shù)據(jù)的格式

3.5 無(wú)線插座繼電器選型

無(wú)線插頭是最重要的控制元件之一，用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。

無(wú)線插座通信數(shù)據(jù)包格式如圖9所示。

TRE：測(cè)試?yán)^電器

地址：加入傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

E1/E2/E3/E4：表示繼電器1或2

0/1：1表示閉合 0表示斷開

4 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過以上功能分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以嵌入式為基礎(chǔ)，采用Android4.0，通過網(wǎng)關(guān)采集家居設(shè)施各相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)宜居生活、智能控制、家庭安全監(jiān)測(cè)等功能的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)施過程中，按節(jié)點(diǎn)的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)，寫入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)為安防報(bào)警傳感器設(shè)置一定的閥值，在超過值時(shí)提示報(bào)警信息，并可以通過3G發(fā)送到移動(dòng)終端。具體界面如圖11所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在智能家居控制系統(tǒng)中，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中心結(jié)點(diǎn)，它在系統(tǒng)應(yīng)用過程中承載著上傳下達(dá)的功能，通過對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行具體分析，構(gòu)建了基于嵌入式的系統(tǒng)整體架構(gòu)，并在架構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用了低功耗的ZigBee技術(shù)及當(dāng)前流行的安卓應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]桑世慶，戈秀龍.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（10）.

[2]盧曉慧，桑世慶.基于J2EE框架的高校創(chuàng)業(yè)信息服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建[J].科技通報(bào)，2011（4）.

[3]盧曉慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)下智能家居系統(tǒng)的研究[J].科技通報(bào)，2013（5）.endprint