基于ZigBee的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計

張江山++熊哲源

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.157

摘 要：針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在成本高、設備復雜、布局不靈活的局限性，該文提出了一種基于ZigBee技術的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。運用ZigBee技術XBee模塊組建家庭內網(wǎng)，S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)設計網(wǎng)關，利用以太網(wǎng)作為通信外網(wǎng)，智能手機作為監(jiān)控終端，實現(xiàn)了遠程家居環(huán)境監(jiān)測、安全報警和家電控制的功能。該監(jiān)控系統(tǒng)具有輕巧、功耗低、成本低、操作方便、布置靈活、功能可自由搭配等優(yōu)點，具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：輕智能家居 ZIGBEE技術 XBee 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0157-04

Design of Light Intelligent Home Monitoring System Based on ZigBee

Zhang Jiangshan Xiong Zheyuan

（Jiangxi Police Institute，Nanchang Jiangxi，103003，China）

Abstract：For the limitations existing in traditional smart home， such as high cost， complex equipment， inflexibility of equipment layout and so on， a design scheme of remote monitoring system of light smart home based on ZigBee technology is put forward. Internal network of smart home is constructed based on XBee module， and then the gateway is designed with S3C6410 chip transplanted into Linux operating system， using Ethernet as the external network of smart home， using intelligent mobile phone as monitoring terminal. The functions of the system conclude real-time home environmental remote monitoring， warning alarm， and home appliance control. The system has the advantages of low power consumption， light， Low cost， convenient operation， flexible layout and free combination of functions.it has certain application and dissemination value.

Key Words：Light smart home；ZigBee technology；XBee；Monitoring system

近年來，隨著電子通信技術和網(wǎng)絡技術不斷發(fā)展及生活水平的提高，家居系統(tǒng)的智能化、輕量化、操作便利越來越受到人們的關注。輕智能家居是指無需施工部署、功能可自由搭配組合、價格相對便宜、可直接面對最終消費者銷售的產品或系統(tǒng)[1]。輕智能家居系統(tǒng)與傳統(tǒng)智能家居相比具有易安裝、易交互、節(jié)能、輕等優(yōu)點，能使人們家居生巧活更安全、舒適和便利[2]?；诖耍恼绿岢隽艘环N基于ZigBee技術的輕智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。選用S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)進行家庭網(wǎng)關設計，利用體積小、功耗低、壽命長的ZigBee技術XBee模塊和傳感器構建家庭內網(wǎng)，實現(xiàn)家居環(huán)境信息的采集和控制命令的傳輸，以太網(wǎng)通信系統(tǒng)作為家庭外網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸，智能手機作為監(jiān)控終端[3]，編寫APP軟件裝載手機實現(xiàn)交互。該系統(tǒng)具有輕巧、安裝簡單、布置靈活、成本低、操作直觀簡便[4]的特點。

1 系統(tǒng)總體方案設計

基于ZigBee的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化結構設計，主要包括監(jiān)控節(jié)點模塊、網(wǎng)關節(jié)點模塊、終端監(jiān)控模塊3部分，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡采用星型拓撲結構[5]。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。監(jiān)控節(jié)點模塊是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的終端節(jié)點，它被部署在家庭室內，通過與之相連的傳感器采集家庭環(huán)境信息，如溫濕度、光強度，及安防狀態(tài)信息，如可燃氣體泄漏、盜賊入侵，同時將這些信息發(fā)送給網(wǎng)關協(xié)調器節(jié)點。監(jiān)控節(jié)點通過無線傳感網(wǎng)絡接收網(wǎng)關節(jié)點轉發(fā)過來的控制指令并執(zhí)行。網(wǎng)關模塊是該系統(tǒng)的核心，一方面負責建立ZigBee和Internet混合通信網(wǎng)絡實現(xiàn)模塊之間通信，一方面負責收發(fā)數(shù)據(jù)并處理和解析。終端監(jiān)控模塊采用智能手機，通過它可及時得到家中實時環(huán)境信息、安防報警信息實現(xiàn)家居遠程監(jiān)控，向智能家電發(fā)送控制指令實現(xiàn)家居遠程控制。

該系統(tǒng)采用的模塊化設計和ZigBee技術無線組網(wǎng)，具有安裝部署簡單、功能可以自由搭配、功耗低的特點，符合輕智能家居的要求。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)控節(jié)點模塊硬件設計

監(jiān)控節(jié)點模塊是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的基本組成單元。主要實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集、無線連接和運行命令控制，從功能上劃分為傳感器模塊、家電控制模塊、主控制器模塊、無線傳輸模塊和電源模塊。監(jiān)控節(jié)點的硬件結構框圖如圖2所示。

主控制模塊是監(jiān)控節(jié)點的核心部分，一方面負責對傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和處理，一方面執(zhí)行經(jīng)網(wǎng)關轉發(fā)過來的控制命令。由于連接傳感器設備比較多、數(shù)據(jù)量大，該設計主控制器選用8位的ATmega128微控制器。它的內部集成了128 kB的可編程Flash、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM，能夠暫存最近幾次傳感器采樣數(shù)據(jù)值；具有2個UART接口，可以直接與XBEE模塊相連；有53個通用I/O口接線和8路模擬輸入接口，可以滿足系統(tǒng)功能擴展需求；使用工作電壓3.3 V，工作時鐘頻率8 MHz，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。

無線通信模塊主要負責監(jiān)控節(jié)點和網(wǎng)關控制器之間無線通信。針對輕智能家居系統(tǒng)低功耗、信號穩(wěn)定要求，選用MaxStream公司基于ZigBee技術的XBee-pro構建家庭內網(wǎng)，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議構建無線傳感器網(wǎng)絡，XBee-proRF具有低功耗、穩(wěn)定性好、網(wǎng)絡容量大的優(yōu)點[6]。最大發(fā)射功率50 mW，室內傳輸距離120 m，室外傳輸距離可達1 500 m，接收靈敏度-92 dBm。它與ATmega128控制器可以通過UART接口直接相連，實現(xiàn)無線通信功能[4]。內置有ZigbeePRO協(xié)議棧?？梢灾苯油ㄟ^X-CTU軟件配置進行組網(wǎng)通信，降低了設計難度。

傳感器模塊主要是實現(xiàn)對各種家居信息的檢測，根據(jù)功能不同分為環(huán)境信息檢測模塊和安防信息檢測模塊。環(huán)境信息檢測模塊選用溫濕度傳感器SHT11和光敏電阻5516來檢測家庭室內溫度、濕度及光強，安防信息檢測模塊選用可燃氣體傳感器MQ_2和熱釋紅外傳感器LH1778來檢測家庭室內可燃氣體值和盜賊入侵情況。傳感模塊檢測信息送至主控制器分析處理，然后通過無線傳感網(wǎng)絡送至網(wǎng)關控制器，網(wǎng)關控制器將接收數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)絡傳送到遠端的智能手機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及報警功能。

家電控制模塊主要根據(jù)設備功能通過驅動電路實現(xiàn)設備控制，該系統(tǒng)設計主要實現(xiàn)電動窗簾、照明燈遠程控制和聲光報警裝置、排氣扇智能控制。電動窗簾控制就是遠端電風扇控制命令經(jīng)Internet和ZigBee混合網(wǎng)傳輸至連接有步進電機的控制節(jié)點，之后控制節(jié)點的主控制器輸出脈沖調制信號經(jīng)過驅動電路控制步進電機的的運行狀態(tài)（方向、速度）來實現(xiàn)。電動窗簾的驅動電路選用L298驅動芯片，它與主控制器的接口電路如圖3所示。照明燈通過繼電器電路來實現(xiàn)開關控制。聲光報警裝置和排氣扇直接與控制器相連，當監(jiān)控節(jié)點檢測到危險情況時由控制器直接啟動。不同的家電要設計不同的識別碼實現(xiàn)對家電識別，該系統(tǒng)電動窗簾的識別碼設計為080，照明燈開關識別碼為081，聲光報警裝置識別碼為082，排氣扇識別碼為083。

2.2 網(wǎng)關模塊硬件設計

網(wǎng)關模塊是系統(tǒng)的核心部件，負責數(shù)據(jù)處理、指令分析和ZigBee-Internet混合通信網(wǎng)絡的建立。它以ARM11處理器為中心，由XBee-PRO模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊組成。網(wǎng)關硬件結構如圖4所示。

網(wǎng)關模塊對中央微處理器處理速度要求比較高，所有的設備控制、任務調度、通信協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務都需要中央微處理器。再從功耗、操作系統(tǒng)的支持和可擴性方面考慮，該設計選用32位的ARM11處理器S3C6410芯片為主處理器。以太網(wǎng)模塊選用DP83848芯片，它可以直接與ARM的引腳相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。XBee通信模塊和監(jiān)控節(jié)點一樣選用XBee-pro，負責建立ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，將所有的監(jiān)控節(jié)點加入到網(wǎng)絡中來，網(wǎng)絡組建成功后，匯集所有監(jiān)控節(jié)點采集的環(huán)境信息傳輸給ARM11處理器進行數(shù)據(jù)處理與分析，將ARM處理器接收到的遠端用戶的控制命令傳輸給監(jiān)控節(jié)點。

3 軟件設計

基于ZigBee的輕智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計的工作主要包括監(jiān)控節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點、用戶手機端監(jiān)控軟件3部分，完成傳感器數(shù)據(jù)實時采集、傳輸及顯示、家電控制和報警功能。

3.1 監(jiān)控節(jié)點軟件設計

監(jiān)控節(jié)點程序設計基于AVR STUDIO IDE開發(fā)環(huán)境，利用C/C++語言編寫。程序主要完成系統(tǒng)初始化、加入傳感網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集傳輸和家電控制功能。

系統(tǒng)上電后，監(jiān)控點程序首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，對I/O口、MAC層、網(wǎng)絡層初始化，加入網(wǎng)絡，打開總中斷，接著進入主循環(huán)程序執(zhí)行數(shù)據(jù)采集功能和家電控制功能。監(jiān)控節(jié)點不斷輪詢各傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)值存儲在不同內部存儲器中。同時計算最近幾次數(shù)據(jù)值的算術平均值，并將結果上傳至家庭網(wǎng)關控制器。對于安防信息設定一個閥值與平均值比較，如果平均值大于閥值，表明有危險情況發(fā)生，則監(jiān)控節(jié)點控制器直接進入中斷處理流程，啟動聲光報警裝置，并根據(jù)信息存儲器地址判斷可燃氣體泄漏險情啟動排氣扇。同時上傳報警信息到網(wǎng)關模塊傳送至遠端的用戶。對于經(jīng)網(wǎng)關控制器傳送過來的遠端用戶家電控制命令，ZigBee子節(jié)點則在無線數(shù)據(jù)接收中斷處理流程中直接對指令進行分析，根據(jù)識別碼實現(xiàn)相關家電控制。監(jiān)控節(jié)點程序流程如圖5所示。

3.2 網(wǎng)關節(jié)點程序設計

網(wǎng)關節(jié)點程序設計是在Linux環(huán)境下，利用C語言開發(fā)。主要工作包括兩方面，一方面是實現(xiàn)與ZigBee網(wǎng)絡互聯(lián)；另一方面是實現(xiàn)Linux系統(tǒng)與以太網(wǎng)/GPRS網(wǎng)絡的命令控制字和數(shù)據(jù)傳輸。設計流程如圖6所示。

網(wǎng)關主程序首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，對I/O口、MAC層、網(wǎng)絡層初始化，建立一個ZigBee以太網(wǎng)混合通信網(wǎng)絡，打開總中斷，使系統(tǒng)處于正常通信狀態(tài)。接著執(zhí)行數(shù)據(jù)收發(fā)死循環(huán)程序，主接收來自控制節(jié)點傳感器的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)的地址并且完成數(shù)據(jù)校驗，如果數(shù)據(jù)傳送正確，則將該數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)模塊。網(wǎng)關控制器固定周期讀取以太網(wǎng)接接口的數(shù)據(jù)，若接收的數(shù)據(jù)正確，則將該數(shù)據(jù)發(fā)送給識別碼對應控制器節(jié)點。

為了提高系統(tǒng)運行效率，該程序設計利用Linux QT多線程技術進行開發(fā)，把應用程序分解為環(huán)境監(jiān)測線程、安防報警線程和智能家電線程。此外，程序設計還進行了網(wǎng)關底層驅動程序設計，Linux操作系統(tǒng)的搭建和移植。

3.3 智能手機遠程監(jiān)控軟件設計

監(jiān)控軟件是基于Android平臺開發(fā)的APP軟件，采用Eclipse工具中的Android插件設計，程序主要使用java語言編寫，調用Android部分API函數(shù)庫來實現(xiàn)。智能手機通過WiFi接入傳輸網(wǎng)絡，通過Socket編程指定服務器實現(xiàn)與網(wǎng)關之間的通信功能。

監(jiān)控軟件主要設計了兩個簡潔美觀、易于操作界面，一個是登錄界面如圖7所示，另一個是監(jiān)控界面如圖8～10所示。登錄界面實現(xiàn)賬戶設定及登錄；監(jiān)控界面按功能分為環(huán)境監(jiān)測單元、家居安防單元、智能家電單元，環(huán)境監(jiān)測單元用來顯示家庭中溫濕度情況，家居安防模塊用來對家中進行布防監(jiān)控，并顯示報警情況。智能家電單元用來對家電進行遠程開關控制操作。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后進行測試，首先，根據(jù)測試要求布置好監(jiān)控節(jié)點、路由器，將PC機通過Internet網(wǎng)連接網(wǎng)關啟動系統(tǒng)，確保手機連接到外網(wǎng)。然后打開手機上監(jiān)控軟件登錄界面輸入賬戶名、密碼、MqttID點擊確定按鈕，進入監(jiān)控界面。

（1）對系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測功能進行測試：點擊環(huán)境監(jiān)測功能按鈕，手機上出現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測窗口，此窗口能實時顯示家庭中的溫度值和濕度值，界面如圖8所示。

（2）對系統(tǒng)家居安防功能進行測試：點擊家居安防功能按鈕，手機上出現(xiàn)家居安防窗口，此窗口能實時顯示家庭中安防探測器的報警狀態(tài)信息，點擊打開聲光報警器和排氣扇圖標其背景顯示為紅色。當安防探測器沒有報警時，探測器圖片背景顯示為綠色；當探測器發(fā)生報警時，探測器圖片背景顯示為紅色。非法入侵報警會啟動聲光報警器，可燃氣體泄漏報警會同時啟動聲光報警器和排氣扇。解除報警后，點擊相應探測器圖標能使其背景為綠色進入布防狀態(tài)。安防測試界面如圖9所示。

（3）對系統(tǒng)家電控制功能進行測試：點擊智能家電功能按鈕，手機上會出現(xiàn)智能家電窗口界面，能實時顯示家電狀態(tài)信息并能控制家電工作狀態(tài)（如圖10所示）。點擊家電設備圖標可以成功打開和關閉相應的家電。

經(jīng)測試，該系統(tǒng)手機監(jiān)控端反映的監(jiān)控節(jié)點的溫濕度變化和警情與實際相符，能成功啟動安防聲光報警裝置和動排氣扇，也能成功地實現(xiàn)對電動窗簾和照明燈進行遠程開關控制。

5 結語

該文提出了一種基于ZigBee輕智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，系統(tǒng)實現(xiàn)了以移動終端對家居狀態(tài)信息實時監(jiān)測，家庭安全狀態(tài)實時監(jiān)控及家電開關遠程控制。利用低功耗ZigBee技術XBee模塊組建家庭內網(wǎng)，硬件采用模塊化設計，監(jiān)控軟件采用界面設計，使系統(tǒng)具有無需人工布線、移動性好、操作簡單、功能可自由搭配和節(jié)能的特點，符合輕智能家居的要求，能夠為大家提供更加安全、舒適、便利的家居環(huán)境。

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