智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙翠芹，施運(yùn)應(yīng)，潘 潔，趙家祺，韋 魏

（1.河池學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣西 宜州 546300；2.呈貢區(qū)洛龍街道辦事處黨政辦公室，云南 昆明 650500）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用改變了人們的生活方式。從最初的信息共享、郵件發(fā)送、聊天到如今的購(gòu)物、日常消費(fèi)、貿(mào)易交易等，“互聯(lián)網(wǎng)+”的世界體系已經(jīng)建立。但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，除人之外的物體也需要傳遞、共享信息。物體苦于無(wú)生命無(wú)嘴巴，想要傳遞信息，就必須先獲取信息，然后通過通信手段進(jìn)行傳輸。傳感器充當(dāng)了物體的“神經(jīng)元”，完成物體信息采集的使命，從而使物體有了“生命”；物體借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)，RFID，WiFi，藍(lán)牙，ZigBee，LoRa，SigFox和NB-IoT等通信技術(shù)把獲取到的信息傳遞出去，這些通信技術(shù)充當(dāng)了網(wǎng)絡(luò)層的“神經(jīng)中樞”和“大腦”[1]，從而使物體有了“嘴巴”。隨著IoT技術(shù)的快速發(fā)展，入網(wǎng)終端設(shè)備已經(jīng)從手機(jī)、電腦躍升到了普通物體。

IoT概念始于1999年，經(jīng)過10年醞釀，到2009年IoT被正式列為中國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一[2]。至此，IoT行業(yè)可謂“枯木逢春”，進(jìn)入了“火樹銀花”式的爆發(fā)期。各大企業(yè)、高校和科研院所紛紛站隊(duì)IoT，爭(zhēng)取IoT技術(shù)的話語(yǔ)權(quán)。該趨勢(shì)可從各種IoT科技的并購(gòu)浪潮中略窺一二。滴滴、Uber合作發(fā)力車聯(lián)網(wǎng)；日本軟銀以320億美元收購(gòu)英國(guó)ARM，高通以470億美元收購(gòu)荷蘭NXP。并購(gòu)層出不窮，有了IoT二維碼之后，人們過上了掃碼登錄、掃碼付款、掃碼上網(wǎng)、掃碼進(jìn)店、掃描上車等“碼”上行動(dòng)的生活。雙十一“剁手黨”們樂此不疲地買買買，海量交易帶來巨大的物流壓力，若在包裹上附上IoT標(biāo)簽，則可利用IoT自動(dòng)識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤地快速分揀包裹。如果說WiFi技術(shù)打通了網(wǎng)絡(luò)連接的最后一英寸，那么共享單車則解決了人們出行的最后一公里，無(wú)人超市、無(wú)人駕駛、智能家居等新概念、新產(chǎn)品層出不窮。從概念到落地生根，再到今天的遍地開花，IoT已經(jīng)進(jìn)入到人們生活的方方面面[3]。

智能家居作為IoT在家具行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)引起了商家的高度關(guān)注[4]。本文針對(duì)智能家居應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了一個(gè)智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TI公司設(shè)計(jì)的SoC芯片作為主控芯片，其內(nèi)核為8051的CC2530單片機(jī)，開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，開發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。系統(tǒng)組建了具有1個(gè)協(xié)調(diào)器和3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的WSN。終端節(jié)點(diǎn)帶有人體傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器和紅外反射傳感器，分別采集相應(yīng)環(huán)境溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，通過ZigBee技術(shù)實(shí)時(shí)傳遞給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器接收多終端數(shù)據(jù)，并區(qū)分信息來自哪個(gè)終端，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。在PC端使用Visual Studio 2017軟件環(huán)境、C語(yǔ)言開發(fā)了一個(gè)用戶界面框架IoT平臺(tái)，該界面簡(jiǎn)單易操作。實(shí)現(xiàn)了通過ZigBee技術(shù)來感知環(huán)境情況，進(jìn)而控制家用設(shè)備的目的，使人們的生活充滿了智慧。

1 總體系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由WSN，串口和PC端IoT平臺(tái)組成，架構(gòu)如圖1所示。協(xié)調(diào)器下面有2個(gè)終端，每個(gè)終端連接的外設(shè)有溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外反射傳感器和人體傳感器。終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過串口把接收到的終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，最后通過上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)展示在用戶界面。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心板、傳感器等。ZigBee節(jié)點(diǎn)選用TI公司生產(chǎn)的51結(jié)構(gòu)的CC2530F256RHAR芯片作為CPU。傳感器電路原理圖如圖2所示。

圖2 （a）為光敏傳感器的電路原理圖。U2為光敏感單元，是一個(gè)純電阻元件。U2端與3.3 V直流電壓相連接，另一端經(jīng)過RC低通濾波電路后與CC2530連接。有光源照射時(shí)，U2的電阻大概為1～15 kΩ；無(wú)光源照射時(shí)，U2的電阻值大約為1～2 MΩ，可根據(jù)電路元件參數(shù)值計(jì)算出輸入到CC2530的電壓。

圖2（b）為紅外放射傳感器的電路原理圖。U1為紅外反射元件TLP521-1。1，2腳為發(fā)射端，3，4腳為接收端。發(fā)射端導(dǎo)通發(fā)射紅外光，在受到人體遮擋時(shí)反射，接收端接到紅外光信號(hào)導(dǎo)通，管腳3輸出高電平，導(dǎo)致三極管Q1導(dǎo)通，OUT端輸出高電平，LED燈亮。當(dāng)有人體經(jīng)過紅外反射傳感器時(shí)，OUT端輸出高電平，小燈亮；無(wú)人體經(jīng)過時(shí)，OUT端輸出低電平，小燈滅。電路中的R1和R2是限流電阻，保護(hù)LED燈不被損壞。簡(jiǎn)言之，紅外反射傳感器檢測(cè)到有人，電器自動(dòng)打開；檢測(cè)到無(wú)人時(shí)，電器自動(dòng)關(guān)閉，是一個(gè)真正的節(jié)能專家，用于點(diǎn)燈、防盜報(bào)警等設(shè)備。

圖2（c）為溫濕度傳感器DHT11電路連接圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括WSN協(xié)議棧應(yīng)用程序編程和上位機(jī)IoT平臺(tái)開發(fā)兩部分。

3.1 WSN協(xié)議編程

WSN系統(tǒng)在IAR Embedded Workbench軟件下開發(fā)，借助ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議?；A(chǔ)編寫應(yīng)用層源碼。為了更快更好地進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，需要理清協(xié)議棧的運(yùn)行機(jī)理和應(yīng)用層源碼的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1.1 協(xié)議棧運(yùn)行機(jī)理

ZigBee協(xié)議棧中提供了較多集成函數(shù)供開發(fā)者使用。如果對(duì)協(xié)議棧的機(jī)理和核心函數(shù)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，那么在項(xiàng)目開發(fā)過程中，就可以充分利用協(xié)議棧提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。協(xié)議棧工作機(jī)理如下[3]：

操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）的入口為文件ZMain.c中的main函數(shù)。在main函數(shù)里，系統(tǒng)初始化函數(shù)osal_init_system （），啟動(dòng)系統(tǒng)osal_start_system（）函數(shù)。osal_init_system（）函數(shù)調(diào)用任務(wù)初始化函數(shù)osalInitTasks（），osalInitTasks（）函數(shù)負(fù)責(zé)給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)任務(wù)號(hào)taskID。osal_start_system（）函數(shù)可調(diào)用osal_run_system（）函數(shù)。追蹤osal_run_system函數(shù)后，協(xié)議棧中有三個(gè)核心變量，分別是保存任務(wù)總個(gè)數(shù)的tasksCnt，指向事件表首地址的指針tasksEvent和tasksArr。tasksArr是一個(gè)數(shù)組，數(shù)組里的每項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，指向事件處理函數(shù)。任務(wù)事件處理函數(shù)添加在tasksArr數(shù)組的末尾，應(yīng)用層初始化函數(shù)添加在osalInitTasks函數(shù)末尾。tasksArr數(shù)組的下標(biāo)和osalInitTasks函數(shù)里的taskID一一對(duì)應(yīng)。osal_run_system函數(shù)的功能是不斷查看事件表，如果有事件發(fā)生，就處理執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)事件處理函數(shù)。

3.1.2 應(yīng)用層程序流程

WSN中有協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，紅外反射傳感器接P0_5，溫濕度傳感器接P0_7，光敏傳感器接P0_1，人體傳感器接P1_1，從這四個(gè)端口獲取數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示。整個(gè)工作流程主要分為任務(wù)初始化函數(shù)和任務(wù)事件處理函數(shù)。

節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，在初始化函數(shù)中定義具有SimpleDescriptionFormat_t簡(jiǎn)單描述格式的節(jié)點(diǎn)描述符、串口結(jié)構(gòu)體變量，配置串口參數(shù)、I/O口的方向寄存器、狀態(tài)寄存器和輸入輸出模式寄存器等。協(xié)調(diào)器上電初始化后組建網(wǎng)絡(luò)，并以AddrBroadcast廣播模式發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息給終端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，并有外來消息時(shí)，采用osal_msg_receive函數(shù)接收消息隊(duì)列中的消息，并對(duì)接收到的消息進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為afIncomingMSGPacket_t類型指針，并對(duì)消息頭進(jìn)行判斷。如果是AF_INCOMING_MSG_CMD無(wú)線數(shù)據(jù)，則調(diào)用接收消息處理函數(shù)進(jìn)行處理；如果是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)ZDO_STATE_CHANGE發(fā)生改變，則開啟相應(yīng)的定時(shí)器；如果是串口指令CMD_SERIAL_MSG，則按串口指令做相應(yīng)操作。在接收消息處理函數(shù)中，根據(jù)接收消息的clusterId來區(qū)分信號(hào)來自哪個(gè)終端，并用osal_memcpy（）函數(shù)把終端號(hào)和數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)，通過串口函數(shù)HalUARTWrite（）把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，紅外反射傳感器和人體傳感器可直接采用數(shù)字方式獲取數(shù)據(jù)，只需讀取相應(yīng)IO口的狀態(tài)即可得到所需數(shù)據(jù)。光敏傳感器獲取數(shù)據(jù)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)置ADC輸入通道ADCCFG = 0x02，使用單次轉(zhuǎn)換，參考電壓為電源電壓3.3 V，對(duì)P0_1采樣，配置寄存器ADCCON3= 0x81。DHT11以單總線方式與CC2530進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有40位，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)工作流程

3.2 上位機(jī)IoT平臺(tái)

上位機(jī)IoT平臺(tái)采用C語(yǔ)言在Visual Studio 2017軟件環(huán)境中開發(fā)。為了給使用者提供一個(gè)方便易操作的界面，窗口界面添加了ComboBox組合框，Label標(biāo)簽，PictureBox控件，GroupBox，Button按鈕和TextBox文本框等控件，設(shè)置了控件的相應(yīng)name屬性值和Text屬性值，編寫對(duì)應(yīng)控件的回調(diào)函數(shù)，就可以把串口中獲取到的數(shù)據(jù)展示在用戶界面中。數(shù)據(jù)從串口中獲取，需要添加System.IO.Ports和System.Data名稱空間。System.IO.Ports中提供了SerialPort類，該類實(shí)現(xiàn)了串口資源操作相關(guān)功能。用SerialPort（）構(gòu)造函數(shù)初始化一個(gè)實(shí)例，接著調(diào)用SerialPort方法GetPortNames（）獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)串口名稱數(shù)組，并配置與協(xié)調(diào)器端相同的串口參數(shù)。利用串口的ReadChar（）方法讀取、解析串口數(shù)據(jù)，展示在用戶界面。

圖4 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件電路如圖5所示。該電路由1個(gè)協(xié)調(diào)器和3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行組網(wǎng)，并以廣播方式向外發(fā)送消息。終端節(jié)點(diǎn)上電后加入網(wǎng)，并以單播方式把采集到的數(shù)據(jù)周期性地上報(bào)給協(xié)調(diào)器。PC端打開串口調(diào)試助手，設(shè)置串口相關(guān)參數(shù)，如圖6所示，點(diǎn)擊“打開串口”即可收到數(shù)據(jù)。串口接收的數(shù)據(jù)是字符串?dāng)?shù)組，需要解析，如串口接收到“T1DR01DG061LW20CS21%”，字符數(shù)組下標(biāo)0～2分別代表終端節(jié)點(diǎn)號(hào)數(shù)據(jù)頭、終端編號(hào)和終端節(jié)點(diǎn)號(hào)數(shù)據(jù)尾部；數(shù)組下標(biāo)3～6分別代表人體傳感器數(shù)據(jù)頭、人體傳感器是否檢測(cè)到有人、紅外反射傳感器監(jiān)控的電器狀態(tài)和數(shù)據(jù)尾部；數(shù)組下標(biāo)7～11分別代表光敏傳感器數(shù)據(jù)頭、光照強(qiáng)度和數(shù)據(jù)尾；數(shù)組下標(biāo)12～15分別代表溫度傳感器數(shù)據(jù)頭、溫度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)尾；數(shù)組下標(biāo)16～19分別代表濕度傳感器數(shù)據(jù)頭、濕度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)尾。經(jīng)數(shù)據(jù)解析后，將所獲取數(shù)據(jù)展示在用戶界面，如圖7所示。

圖5 硬件電路連接

圖6 串口接收數(shù)據(jù)

圖7 用戶界面數(shù)據(jù)顯示

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在TI公司ZigBee協(xié)議棧工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，搭建了一個(gè)智能家居IoT系統(tǒng)。通過終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器最終將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)。PC端采用結(jié)合了Java和C++優(yōu)勢(shì)的C語(yǔ)言開發(fā)了一個(gè)IoT數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，把遠(yuǎn)程終端采集到的數(shù)據(jù)展示在用戶界面，用戶可根據(jù)界面顯示數(shù)據(jù)，了解監(jiān)控場(chǎng)景的溫濕度、光照和家電狀態(tài)等情況。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、成本低和功耗低等特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。

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