基于ZIGBEE和LORA的一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)

鄭琪 王嘉博 柴鈺

摘要：以智能家居系統(tǒng)中的照明智能控制模塊、家用電器智能控制模塊、安防智能控制模塊和娛樂智能控制模塊為研究對象，采用ZIGBEE和LORA技術(shù)相結(jié)合的無線物聯(lián)網(wǎng)通信、控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制。

關(guān)鍵詞：ZICBEE;LORA;智能家居系統(tǒng);實時監(jiān)測和控制

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0038-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

目前，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有兩種：一種為有線傳輸，主要為通過RS232、RS485/422等串口通信協(xié)議傳輸，其特點為穩(wěn)定性強、可靠性高、距離短、成本高;另一種為無線傳輸，主要為藍牙、WIFI、ZIGBEE等，現(xiàn)場的無線傳輸更加靈活，但距離較短、信號不穩(wěn)定、功耗大。而基于長距離無線電LoRa（Long Range Radio）線性擴頻技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信，傳輸距離遠、穿透性強、抗十?dāng)_能力高、采用的窄帶傳輸，傳輸功率密度大、傳輸距離大大增加。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文所述的基于ZIGBEE和LORA智能家居系統(tǒng)包括：對于一戶人家的各個房間里，照明智能控制模塊、家用電器智能控制模塊、安防智能控制模塊和娛樂智能控制模塊，每個房間設(shè)立若干個ZIGBEE終端節(jié)點，連接相關(guān)的傳感器和控制器，以實現(xiàn)對相關(guān)信號的采集、處理和控制;一戶人家設(shè)立一個ZIG-BEE協(xié)調(diào)器，一個ZIGBEE協(xié)調(diào)器與一個LORA終端節(jié)點集成在一起，一棟樓設(shè)置一個或多個LORA網(wǎng)關(guān)，多個LORA網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器（或MCU）相連，多個小區(qū)設(shè)立一個服務(wù)器，服務(wù)器可通過因特網(wǎng)或蜂窩移動網(wǎng)與云端相連，客戶端可通過網(wǎng)頁或手機APP查看家居的情況并對家里的相關(guān)設(shè)備進行控制，重要的是可以及時得到家里某些意外的報警情況，及時進行處理，以免發(fā)生警情和一些災(zāi)難的發(fā)生。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

照明智能控制模塊包括：當(dāng)人進入房間內(nèi)（通過紅外熱釋電傳感器識別）啟動溫濕度、光照度監(jiān)測。當(dāng)室溫低于16度打開空調(diào)熱風(fēng)、室溫高于26度打開空調(diào)冷風(fēng)，當(dāng)濕度低于某值打開加濕器，當(dāng)光照度低于或高于一定值，拉開或拉上電動窗簾，根據(jù)光照度白動調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光明暗。如果當(dāng)人離開某房間（房間內(nèi)沒人時），該房間的空調(diào)、燈光、加濕器等關(guān)閉，當(dāng)人進入另一個房間時，該房間內(nèi)的空調(diào)、燈光、加濕器等根據(jù)情況自動開啟，并將人進入的信息發(fā)送到中央控制器，控制每個節(jié)點設(shè)備，中控電腦可接收信息顯示在觸摸屏上。

在客廳或大門人口有帶有觸摸屏的中央控制器，可以通過觸摸屏控制照明、家用電器、娛樂等模塊，可以查看安防模塊的歷史紀(jì)錄，也可以通過手機查看、遙控這些模塊。

家用電器帶有智能控制器，包括熱水器、電飯煲、電餅鐺、咖啡機等。

安防模塊包括門禁及室內(nèi)監(jiān)控（可遠程通過手機訪問、查看）。門禁為通過人臉識別打開門鎖，在各個房間內(nèi)裝有攝像頭。一旦門鎖或攝像頭監(jiān)控有異常進行報警（可向手機進行遠程報警）。

人一旦出大門后，所有模塊（除安防模塊）停止工作，拉上窗簾。

娛樂模塊包括多媒體、音響、電視等，都可以通過家電控制器、中央控制器或手機進行控制。

2 監(jiān)測及控制電路

整個室內(nèi)家居系統(tǒng)監(jiān)測和控制主要使用TI公司帶有ZIG-BEE協(xié)議棧的CC2530芯片，綠色低功耗。

CC2530是針對ZigBee的真正片上系統(tǒng)優(yōu)秀解決方案，整合了領(lǐng)先的2.4GHz IEEE 802.15.4兼容型CC2530射頻收發(fā)器及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的32MHz、單周期、低功耗增強型8051微控制器核心的卓越性能，四種靈活的功率模式，用于降低功耗，一個IEEE802.15.4MAC計時器，一個通用16位計時器及兩個8位計時器，具有對數(shù)字接收信號強度指示（RSSI）/鏈路質(zhì)量指示（LQI）的支持，硬件AES加密引擎，具有32/64/128/256kBvte系統(tǒng)內(nèi)置可編程閃存、8kB RAM以及眾多的其他強大特性。卓越的選擇性及帶阻性能，直接序列擴頻（DSSS）調(diào)制調(diào)解器的速度為2M chips/s，有效數(shù)據(jù)率為250kbps，封裝：QLP-48，RoHS標(biāo)準(zhǔn)兼容，7*/mm;極小的占位面積，硬件提供對微處理器負(fù)載降低（offload）的支持，同時兼顧IEEE 802.15.4及ZigBee應(yīng)用的靈活解決方案，卓越的Bluetooth及WiFi共存性，僅需要極少量的外部元件。

光線探測傳感器CDS的光電池GL5537，可見光傳感器為藍敏光電二極管BS520，后者對光的波長而不是光的亮度敏感。CDS為照度傳感器，隨環(huán)境的光亮度而改變其電阻，亮的地方阻抗較低，是一種光電可變電阻器，隨曝光時間和光線變化決定照度指數(shù)伽馬（γ），阻抗范圍為200K-IOKQ，靈敏度為400（紫色）-600nm（橙色），在520nm（綠色）下表現(xiàn)出最大值。γ=log（Rmax/Rmin ）/log（ Lmax/Lmin）。RE200B PIR傳感器是（NIP-PON Ceramics公司出產(chǎn)）人體探測傳感器，檢測范圍X軸大于138度，Y軸125度，工作電壓3-10V DC，產(chǎn)生至少2.5V的模擬電壓輸出，典型值為4V。光線探測傳感器CDS、可見光傳感器BS520、熱釋電效應(yīng)PIR傳感器等監(jiān)測值經(jīng)處理后與CC2530的10口相連，運用通過CC2530的一個10腳連接DHTlI的數(shù)據(jù)輸出端口監(jiān)測溫濕度。彈簧開關(guān)用于檢測門或窗戶這些容易進入的人口是否被入侵者打開或關(guān)閉。這個開關(guān)是密封在充滿惰性氣體的玻璃管內(nèi)的磁簧接觸片。當(dāng)?shù)玫酵ㄟ^線圈的電流，更多的電流在磁簧片中，由磁吸引力引起簧片閉合。彈簧開關(guān)為H.K.的Industry的KR2S，該模塊的操作無須電源供電，通常位于打開的位置，該SMD類型的開關(guān)操作不管電磁極性。數(shù)字門鎖型號MI-2100。燃?xì)忾y門的控制是通過CC2530及相關(guān)組件和L289P操作直流電機打開或關(guān)閉閥門;通過CC2530對接線板的控制可以有效節(jié)約電力資源的浪費、調(diào)光板控制燈光的開關(guān)和強弱、電動窗簾、空調(diào)、加濕器、家用電器、多媒體、電視、音響、人臉識別、攝像頭、瓦斯偵測器、PM2.5檢測器、T6004傳感器電路（監(jiān)測CO2含量）、MQ-2氣體煙霧傳感器（其電導(dǎo)率與被測量的濃度成正比）等用來監(jiān)測和控制家居環(huán)境及設(shè)施。

各個房間內(nèi)的傳感器和控制器的參數(shù)直接或通過處理接到ZIGBEE終端節(jié)點的CC2530芯片上，ZIGBEE終端節(jié)點通過ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)接到該戶人家的ZIGBEE協(xié)調(diào)器，ZIGBEE協(xié)調(diào)器與LORA的終端節(jié)點相聯(lián)通，每戶帶有觸摸屏的中央控制單元與ZIGBEE協(xié)調(diào)器和LORA的終端節(jié)點相聯(lián)通，LORA的終端節(jié)點通過LORA無線網(wǎng)絡(luò)與LORA網(wǎng)關(guān)相聯(lián)通，可根據(jù)整棟樓的住戶數(shù)量設(shè)置一個或多個LORA網(wǎng)關(guān)，各個LORA網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器（或MCU）相連，呈星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個小區(qū)設(shè)立一個服務(wù)器，服務(wù)器可通過因特網(wǎng)或蜂窩移動網(wǎng)與云端相連，客戶端可通過網(wǎng)頁或手機APP查看家里的情況并對相關(guān)設(shè)備進行控制，重要的是可以及時得到家里某些意外的預(yù)警及報警情況，立即進行處理，以免發(fā)生警情和一些災(zāi)難的發(fā)生。

LORA終端節(jié)點的射頻芯片采用SEMTECH公司的SX1268，網(wǎng)關(guān)主要為主芯片SX1302結(jié)合射頻芯片SX1250，均為該公司最新推出的具有最佳性價比的適用于中國ISM頻段的產(chǎn)品。

在本系統(tǒng)中使用LORA技術(shù)的原因在于LORA技術(shù)是SEMTECH公司發(fā)布的基于IGHz以下的新型非授權(quán)頻譜，其特點為低功耗、超遠程、低成本、大的覆蓋范圍，針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，接收靈敏度為-148dBm，與業(yè)界其他先進的Sub-GHz芯片相比，靈敏度提高了20dB以上，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。不僅可以部署私有網(wǎng)絡(luò)，還可以部署公有網(wǎng)絡(luò)，采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略、線性擴頻調(diào)制技術(shù)、鏈路預(yù)算高達157dB，通訊距離可達15Km，網(wǎng)絡(luò)最大優(yōu)化每個終端節(jié)點的通訊數(shù)據(jù)速率、輸出功率、帶寬和擴頻因子。LORA信號對于建筑物具有很好的穿透能力，這些技術(shù)更適應(yīng)于低成本、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。低功耗使得電池壽命延長、網(wǎng)絡(luò)容量增加。實現(xiàn)長距離連接時，終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間信息的交互可直接進行，更好地減少了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗。

3 結(jié)語

本文所述的基于ZIGBEE和LORA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，在室內(nèi)使用了ZIGBEE技術(shù)，該技術(shù)支持?jǐn)U展、功能全面、使用靈活，可組成自組織、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò);在戶外使用LO-RA技術(shù)的LoRaWan低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)，將ZIGBEE技術(shù)和LO-RA技術(shù)有機地結(jié)合在一起，形成了業(yè)界相對新穎、優(yōu)點突出的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的一種方式。盡可能給大家起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]劉亞秋.LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018，11（40）：40.

[2]康妍妍，宋廣軍.基于LoRa傳輸?shù)霓r(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2019，34（5）：23-26.

[3]錢蕾.基于WSN的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2019，26（1）：76-83.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2020-02-21

作者簡介：鄭琪（1968-）.女，河南人，碩士，高工，研究方向：檢測技術(shù)、電工電子、嵌入式系統(tǒng)。