基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荀艷麗 焦庫(kù) 張秦菲

摘 ?要： 采用GPRS和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)高性能處理和PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，家電傳感器構(gòu)建ZigBee智能家居控制系統(tǒng)，并通過(guò)GPRS無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程手機(jī)終端通信。給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌P(guān)鍵處理流程等。通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠滿足智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，使整個(gè)系統(tǒng)真正脫離用戶操作實(shí)現(xiàn)智能控制，降低信令交互。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 智能家居; 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì); 家電傳感器; GPRS; ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.5?34 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0074?03

Abstract： A smart home system based on Internet of Things （IoT） was implemented by using the GPRS and ZigBee technologies. The ZigBee?based smart home control system is established by means of high?performance processing， PAN Coordinator network coordinator， and home appliance sensor. The communication between the system and remote mobile phone terminal is realized by using the GPRS wireless transceiver system. The design architecture， hardware and software realization methods of the system are presented， including network topology and key processing procedure. The actual test verified that the system can meet the remote monitoring demand of smart home， make the whole system truly independent of user operation， achieve smart control， and reduce signaling interaction.

Keywords： IoT; smart home; control system design; home appliance sensor; GPRS; ZigBee

由于智能家居有極大的優(yōu)點(diǎn)，因此隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)也得到了很好的發(fā)展。其中利用電話對(duì)智能家居進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的技術(shù)也日益用于生活中，人們可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令，就能對(duì)家中的電器進(jìn)行操作與監(jiān)控。

1 ?智能家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 ?ZigBee與GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、短時(shí)延的大容量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee采用的物理MAC層協(xié)議是IEEE 802.15.4，工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz三種工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段。其中，2.4 GHz頻段全球免費(fèi)試用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式豐富靈活，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)自組織特性[1]。

GPRS網(wǎng)絡(luò)是2.5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，使用分組交換技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）采用CMNET接入，避免了申請(qǐng)固定IP帶來(lái)的繁瑣，只需要插入SIM卡就能方便地連接到Internet[2]。

1.2 ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本模型采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于各節(jié)點(diǎn)距離較近，無(wú)需通過(guò)路由器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，只需要協(xié)調(diào)器和各傳感器設(shè)備即可滿足網(wǎng)絡(luò)搭建。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并轉(zhuǎn)發(fā)收集信息給高性能處理器（本模型用PC機(jī)替代）。高性能處理器根據(jù)智能處理算法對(duì)收集信息進(jìn)行融合決策，并根據(jù)決策結(jié)果來(lái)向遠(yuǎn)程手機(jī)終端發(fā)送請(qǐng)求信息，或向傳感器發(fā)送應(yīng)對(duì)執(zhí)行命令。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)中各組件詳細(xì)描述如下：

1） 信息采集。通過(guò)傳感器將家電信息傳遞給ZigBee SoC 模塊。本模型采用最常見(jiàn)的CC2430芯片，該芯片集成了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430芯片最后將信息發(fā)送給PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

2） PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)和管理各智能家居傳感器。

PAN Coordinator協(xié)調(diào)器主要完成以下任務(wù)：分配網(wǎng)絡(luò)ID;發(fā)送、傳遞和結(jié)束信息。

3） 高性能處理器（PC機(jī)處理器）。高性能處理器是本設(shè)計(jì)方案的核心組件，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的智能處理，是該模型的核心“大腦”。高性能處理器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：采集信息的智能分析與處理;信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與融合。

4） 無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過(guò)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)完成與用戶手機(jī)終端間的通信，實(shí)現(xiàn)命令的傳遞及智能家居系統(tǒng)信息的應(yīng)答反饋，采用GPRS芯片SIM900模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)。本設(shè)計(jì)借用短信收發(fā)功能，通過(guò)短信命令實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)家電信息識(shí)別。

1.3 ?智能控制機(jī)制

智能控制核心是智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多的智能管理處理能力，減少用戶遠(yuǎn)程操作交互。高性能處理器通過(guò)實(shí)現(xiàn)智能控制處理算法，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部智能控制處理，從而能夠幫助用戶處理絕大多數(shù)任務(wù)和操作交互等。智能控制策略如下：異常處理第一要?jiǎng)?wù)是確保安全;操作記錄和異常告警可跟蹤;智能終端狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.3.1 ?異常處理

當(dāng)高性能處理器接收到傳感器信息包含告警信息時(shí)，啟動(dòng)異常保護(hù)操作。異常保護(hù)操作具體動(dòng)作需要根據(jù)異常告警中反饋的傳感器網(wǎng)絡(luò)ID和告警編號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.3.2 ?操作記錄及異常告警查詢

操作記錄及異常告警可通過(guò)發(fā)送查詢命令獲取相關(guān)信息，相關(guān)信息都會(huì)在高性能處理器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。

1） 手機(jī)端向智能管理系統(tǒng)發(fā)送查詢命令;

2） 智能管理系統(tǒng)收到判斷手機(jī)IMSI或MSISDN是否為配置信息，并判斷其操作權(quán)限;

3） 手機(jī)端信息判斷無(wú)誤后根據(jù)查詢命令判斷命令類(lèi)型及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)操作，并繼續(xù)步驟5）操作;

4） 若手機(jī)端信息非配置信息或無(wú)查詢權(quán)限，智能管理系統(tǒng)拒絕該操作，并向手機(jī)端反饋無(wú)權(quán)限操作信息;

5） 智能管理系統(tǒng)查詢記錄信息，并做好操作日志記錄;

6） 智能管理系統(tǒng)根據(jù)查詢返回狀態(tài)向手機(jī)端發(fā)送查詢結(jié)果。

1.3.3 ?智能終端狀態(tài)監(jiān)控

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)智能終端狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，用戶通過(guò)發(fā)送查詢命令查看整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各家電終端的狀態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。也可以通過(guò)定期向用戶發(fā)送狀態(tài)信息更新消息，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)更新監(jiān)控。因本系統(tǒng)聚焦邏輯能力實(shí)現(xiàn)，用戶體驗(yàn)和更多優(yōu)化方案暫未考慮，暫采取查詢?cè)儐?wèn)方式獲取監(jiān)控信息。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩部分組成。外網(wǎng)由無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)（GPRS數(shù)傳模塊）和高性能處理器組成，兩者之間可通過(guò)RS 232串口通信，無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)（GPRS數(shù)傳模塊）采用SIM900模塊。該模塊通過(guò)AT指令控制，控制方法簡(jiǎn)單，方便系統(tǒng)集成和軟件開(kāi)發(fā)。

內(nèi)網(wǎng)由高性能處理器（PC機(jī)）和PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、信息采集（智能家居傳感器）三部分組成。信息采集傳感器通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊與PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。本模型選用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，本模塊中各智能家居傳感器通過(guò)CC2430芯片發(fā)送和接收信息實(shí)現(xiàn)與PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在家電模擬控制中，要想通過(guò)串口與PC機(jī)連接的協(xié)調(diào)器向指定的設(shè)備發(fā)送控制指令，首先需要制定一套控制協(xié)議，以便協(xié)調(diào)器解析，所有的控制指令都是一串具有特性格式的字符串?？刂浦噶钊绫?所示。

指令說(shuō)明：

1） 設(shè)備編號(hào)（NUM）：表示指令的控制對(duì)象或指令要求的設(shè)備響應(yīng)編號(hào)。

2） 指令類(lèi)型（TYPE）：表示指令類(lèi)型，包括SEARCH（查詢），CMD（命令）等。

3） 指令（ORDER）：表示指令的具體含義。例如：查詢指令下的MONITOR（監(jiān)控），LOG（日志）等。

4） 說(shuō)明（EXP）：對(duì)指令說(shuō)明，在具體執(zhí)行時(shí)沒(méi)有實(shí)際含義，用于編碼和測(cè)試，注釋性內(nèi)容。

5） 附加信息（OTH）：保留字段，待用。

3.1 ?實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)現(xiàn)對(duì)各家電終端狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)遠(yuǎn)程手機(jī)終端向智能系統(tǒng)高性能處理器發(fā)送狀態(tài)查詢命令。

1） 遠(yuǎn)程手機(jī)終端發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)控命令，命令格式為：

1：SERCH：MONITOR： ： 。

2） 高性能處理器接收請(qǐng)求命令，對(duì)命令進(jìn)行解析，并根據(jù)解析后的命令類(lèi)型和內(nèi)容及設(shè)備編號(hào)等信息查詢對(duì)應(yīng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

3） 高性能處理器將查詢到的設(shè)備狀態(tài)信息反饋給遠(yuǎn)程手機(jī)終端。程序代碼如下：

void ZGManager_GetStatus（uint8 pan_id， String *status）

{

//Save PAN id

if（0 > pan_id）

return;

ZGPANid = pan_id;

status = ZGManager_GetDao（ZGPANid）;

//Get ID status from Database（table name is TBL_TERIDSTATUS）

return;

}

同時(shí)，家電終端也會(huì)在設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變更時(shí)實(shí)時(shí)向高性能處理器發(fā)送狀態(tài)變更信息，通知高性能處理器及時(shí)刷新設(shè)備狀態(tài)信息。

3.2 ?異常告警

當(dāng)家電設(shè)備出現(xiàn)異常場(chǎng)景時(shí)（如洗衣機(jī)缺水等），家電設(shè)備傳感器會(huì)及時(shí)向高性能處理器發(fā)送告警信息。高性能處理器根據(jù)預(yù)置的智能處理方案進(jìn)行處理，同時(shí)向遠(yuǎn)程手機(jī)終端發(fā)送異常告警信息。當(dāng)高性能處理器完成相應(yīng)智能處理方案處理后，根據(jù)處理結(jié)果知會(huì)遠(yuǎn)程手機(jī)終端，讓用戶了解當(dāng)前進(jìn)展。程序代碼如下：

void ZGManager_AbnormalWarning（uint8 pan_id， uint8 type）

{

//Check Abnormal type

uint8 level = ZGManager_CheckWarningType（pan_id， type）;

//if level low 0， do nothing

if（0 > level）

return;

//update the status and recovery normal auto.

ZGManager_UpdateStatus（pan_id， "Warning"）;

ZGManager_Recovery（pan_id， type）;

//Send warning MSG to user when level over 3

if（3 < level）

ZGManager_SendMsg2Usr（pan_id，type，"Warning"）;

return;

}

4 ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)主要包括終端管理、日志管理和配置管理三部分功能。智能管理系統(tǒng)通過(guò)操作界面實(shí)現(xiàn)家電終端狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及家電終端控制、異常恢復(fù)和歷史回放等功能。同時(shí)為了便于操作跟蹤等目的，添加了日志管理功能，實(shí)現(xiàn)操作日志的查詢和設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)終端的添加和刪除，連接配置以及系統(tǒng)登錄賬戶管理等功能，系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的配置管理功能，方便相關(guān)參數(shù)配置。智能家居控制管理系統(tǒng)主界面如圖2所示。

該系統(tǒng)家電終端通過(guò)模擬接入洗衣機(jī)、電冰箱和智能電視三個(gè)終端傳感器進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)家電智能開(kāi)關(guān)控制與狀態(tài)反饋。通過(guò)異常場(chǎng)景模擬，能夠有效地實(shí)現(xiàn)智能異常處理。同時(shí)，關(guān)聯(lián)手機(jī)端也能及時(shí)收到異常告警和狀態(tài)變更消息，大大降低了人工干預(yù)力度，實(shí)現(xiàn)智能控制。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)分析，以GPRS無(wú)線收發(fā)模塊、高性能處理器、PAN Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和CC2430芯片及傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智能家居控制系統(tǒng)，闡述了硬件框架設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程。本系統(tǒng)旨在打通邏輯實(shí)現(xiàn)，更多優(yōu)化控制需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

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