基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

羅學(xué)成

摘要：伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合發(fā)展，極大地滿(mǎn)足了人們對(duì)智能家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求。針對(duì)現(xiàn)有的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，且軟硬件配置落后，功能單一，沒(méi)有遠(yuǎn)程智能終端及維護(hù)困難且擴(kuò)展性差的問(wèn)題。該文提出了經(jīng)由ZigBee3.0協(xié)議的云模組設(shè)計(jì)將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)引入智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)中，經(jīng)過(guò)信息處理和決策，能夠?qū)抑邢嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程用戶(hù)、家庭網(wǎng)關(guān)之間信息交互，遠(yuǎn)程用戶(hù)能夠查詢(xún)、控制、注銷(xiāo)操作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一監(jiān)控和集中監(jiān)控協(xié)同模式，其實(shí)踐具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee3.0協(xié)議；傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0079-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來(lái)越體現(xiàn)在智能家居中，通常被稱(chēng)為智慧房屋。本文也是圍繞基于ZigBee3.0協(xié)議的云模組下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)在家居上的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析，其涉及房屋的基建、信息通信、家電網(wǎng)絡(luò)等基本上是圍繞人們?nèi)粘＞幼〉姆课轂榛A(chǔ)，服務(wù)使用者的起居進(jìn)行整合和結(jié)構(gòu)化的人工智能系統(tǒng)，其形成高效、舒適、安全、綠色、低碳的家庭生活模式[1-2]。智能家居不僅具有全面交互信息作用，而且會(huì)隨著自我學(xué)習(xí)升級(jí)后為人們的居家生活方式和改善家庭環(huán)境帶來(lái)更多的影響。通過(guò)諸如充當(dāng)居家智能保姆，生活助手等角色，可以實(shí)現(xiàn)家電自動(dòng)化操控、光亮度及環(huán)境適時(shí)調(diào)配，居家防盜警報(bào)系統(tǒng)控制等，同時(shí)能完美實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)互聯(lián)互通，便于進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求

1.1 提供安全保證、適宜的居住條件與便捷的生活方式

可靠的住宅安全保障包括住宅附近的安全、進(jìn)出住宅的安全、來(lái)訪者的管理和防止盜竊、防火和尋求幫助的必要性，以及是否有足夠的先進(jìn)科學(xué)手段和人員支撐保障，更深入層面的要求還包括財(cái)產(chǎn)安全和人員生命安全。當(dāng)下宜居的居住條件側(cè)重于房屋內(nèi)部環(huán)境的調(diào)配，如室內(nèi)溫度和濕度、光照、供水、音樂(lè)、空氣、色調(diào)和能源消耗的要求，重點(diǎn)是可優(yōu)化家居條件，包括持續(xù)通風(fēng)、充足的陽(yáng)光、適當(dāng)使用空調(diào)，進(jìn)行科學(xué)的管理和合理節(jié)能控制。舒適的生活方式涉及提高家庭對(duì)智能控制的進(jìn)一步需求（例如：互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、家庭辦公室和居家自動(dòng)化管理），以及居家如何使用互聯(lián)網(wǎng)資源來(lái)享受更多與生活密切相關(guān)的綜合社區(qū)服務(wù)。所謂的互聯(lián)網(wǎng)資源集中在寬帶互聯(lián)網(wǎng)上，寬帶網(wǎng)絡(luò)（包括智能家居和外部公共網(wǎng)絡(luò)）中的嵌入式內(nèi)容服務(wù)已經(jīng)成為提高智能家居生活便利性的主要基礎(chǔ)[3]。

1.2 多層次的數(shù)據(jù)資料交互功能，改善居家生活形式

一般來(lái)說(shuō)，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)交互存在的問(wèn)題包括：對(duì)家電的遠(yuǎn)程操控，即可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制，使用戶(hù)能夠?qū)译姴皇軙r(shí)間和空間的限制；另外通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在人機(jī)交互下實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的強(qiáng)弱性、光亮度進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，從而以提供合適宜居的光線(xiàn)需求；另外也可對(duì)室內(nèi)電動(dòng)門(mén)鎖、電動(dòng)窗簾實(shí)施遠(yuǎn)程和自感應(yīng)遙控，從而保證對(duì)生活環(huán)境光的完全感知，并可隨時(shí)調(diào)整家庭光源；安全防御警報(bào)應(yīng)通過(guò)視頻監(jiān)控、控制和警報(bào)隨時(shí)監(jiān)控房屋內(nèi)的安全狀況；交互過(guò)程中對(duì)住宅數(shù)據(jù)的收集有助于記錄溫度和濕度，以及在任何地點(diǎn)和任何時(shí)間都可管理住宅建筑的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：首先利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程采集無(wú)線(xiàn)傳感值，對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行無(wú)線(xiàn)監(jiān)控；其具體是采用ZigBee3.0協(xié)議的云模塊結(jié)合傳感器信息，由以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)；一方面配置由網(wǎng)管技術(shù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)端是否正常運(yùn)行；另一方面由WEB服務(wù)端技術(shù)和WEB客戶(hù)端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息檢索、信息交換、信息處理等便捷的信息服務(wù)功能。管理者使用瀏覽器就能及時(shí)獲得居家環(huán)境系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)系數(shù)等知訊，同時(shí)也集成監(jiān)控信息的存儲(chǔ)，顯示監(jiān)控系數(shù)的變化、歷史信息的檢索和異常的自動(dòng)警報(bào)等。由于本案智能家居監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)是以GPRS為數(shù)傳模式，并在網(wǎng)管主機(jī)空間和部分網(wǎng)絡(luò)之間布局安全防御、環(huán)境和性能監(jiān)控，針對(duì)wirings For GPRS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)施和應(yīng)用互鎖效應(yīng)，其系統(tǒng)框架示意圖見(jiàn)圖1所示[4]。

從圖1可以看出，GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通信通道，其是連接監(jiān)控主機(jī)和其余模塊的集線(xiàn)器。監(jiān)控系統(tǒng)中的各設(shè)備均與GPRS實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，監(jiān)控主機(jī)經(jīng)GPRS和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，以GPRS從監(jiān)控終端采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析存儲(chǔ)、判別環(huán)境、系統(tǒng)等，終端設(shè)備是否處于工作狀態(tài)，如果信息數(shù)據(jù)存在異常，則異常情況自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)推送至使用者手機(jī)上。通過(guò)WEB能在瀏覽器上直接登錄客戶(hù)云端，能輕松獲得系統(tǒng)主機(jī)、數(shù)據(jù)情況、錯(cuò)誤報(bào)告、遠(yuǎn)程控制等操作，從而實(shí)現(xiàn)管理人員無(wú)須到場(chǎng)，即遠(yuǎn)程控制及故障查找、系統(tǒng)維護(hù)的功能。

本案智能家居監(jiān)控系統(tǒng)不單單能實(shí)現(xiàn)GPRS及互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控，而且還監(jiān)控系統(tǒng)本身進(jìn)行自檢，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性。對(duì)于系統(tǒng)性能監(jiān)控的需求，復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)可以分為兩個(gè)大的管理功能模塊，一個(gè)屬于系統(tǒng)監(jiān)控模塊，另一個(gè)屬于管理模塊。

3 硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有智能家居監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，軟硬件配置滯后。針對(duì)這種情況，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)由ZigBee3.0協(xié)調(diào)器、微傳感裝置、鏈路等組成。其系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其構(gòu)建了基于ZigBee3.0的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議云模塊網(wǎng)絡(luò)，利用各位置部署的傳感器，進(jìn)行微型化、數(shù)字化、智能化的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器進(jìn)行進(jìn)一步處理[5]。另外，考慮到需要為設(shè)備的遠(yuǎn)程控制分配引擎，即需要在家用電器旁邊設(shè)置節(jié)點(diǎn)。

3.1 ZigBee3.0協(xié)調(diào)器的選擇

本設(shè)計(jì)采用的ZigBee3.0協(xié)調(diào)器為DTK公司研發(fā)生產(chǎn)的DRF1605ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)模塊，用戶(hù)能夠在對(duì)ZigBee3.0協(xié)議不清楚的情況下將串口數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)。DTK在模塊內(nèi)內(nèi)置了所需的ZigBee3.0交互協(xié)議，因此所有的處理都可以在基于ZigBee3.0協(xié)議的云模塊內(nèi)自動(dòng)完成，見(jiàn)圖3 DRF1605ZigBee底板的結(jié)構(gòu)圖[6]。

如圖3所示，DRF1605ZIGBEE模塊底部具有串行端口，能對(duì)各種串行通信協(xié)議進(jìn)行互通，實(shí)現(xiàn)高效透明運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此，在規(guī)劃基于ZigBee3.0協(xié)議的云模塊集成節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)串行通信和以太網(wǎng)功能，聚合節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)才能成功執(zhí)行。

3.2 傳感器選型與設(shè)計(jì)

基于性能與成本考慮，本次配置OMEGA溫濕度傳感器，其性能穩(wěn)定及質(zhì)量可靠。而紅外傳感器選用煒盛的RDB226-S，兩者配合能達(dá)至最優(yōu)的性?xún)r(jià)比，具體如下所述[7]。

3.2.1 溫濕度傳感器

OMEGA溫濕度傳感器，性能穩(wěn)定，測(cè)溫范圍廣泛，精度高，校準(zhǔn)和質(zhì)量保證。它能夠快速識(shí)別出當(dāng)前環(huán)境中溫濕度的變化量，而且它體型小，耗能低，抗干擾能力良好，相當(dāng)適宜應(yīng)用在ZigBee3.0協(xié)議云模塊節(jié)點(diǎn)中，能夠很好地起到針對(duì)居住環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控的作用，另外該硬件在一定程度上能準(zhǔn)確運(yùn)算出模擬量，對(duì)環(huán)境探測(cè)及傳輸相當(dāng)高效。

3.2.2 紅外傳感器

本案的紅外傳感器RDB226-S屬于煒盛公司的型數(shù)字熱釋電傳感器系列。該模塊下為敏感元件與信號(hào)處理芯片集成的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，敏感元件與IC芯片集成在傳感器屏蔽罩內(nèi)，感測(cè)元件通過(guò)監(jiān)控空間采集人體在定義范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的紅外信號(hào)，以差分輸入的形式傳輸?shù)礁呔戎悄軘?shù)字處理芯片進(jìn)行處理，并對(duì)信號(hào)源進(jìn)行處理，使傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，方便程序執(zhí)行。而且設(shè)計(jì)時(shí)考慮到合成紅包輻射區(qū)與高敏區(qū)交替轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，其能極大程度地使得靈敏度得到改善，并使得檢測(cè)的范圍得到擴(kuò)大。

4 軟件設(shè)計(jì)

在本案的架構(gòu)設(shè)置方面采用星形網(wǎng)格拓?fù)涞男问剑谙到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和末端節(jié)點(diǎn)兩部分。因此ZigBee3.0協(xié)議的云模組重點(diǎn)配置了節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器和末端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，采用的ZigBee3.0協(xié)議的云模組棧是Z-Stack協(xié)議棧，ZigBee3.0協(xié)議的云模組節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for Arm的最新9.30版本，它也是z-stacks的首選軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。由于z-stack已經(jīng)完成了zigbee的開(kāi)發(fā)，包括物理層、mac層、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層框架，僅對(duì)z-stack提供的接口調(diào)用，便可應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，從而縮短前期的開(kāi)發(fā)時(shí)間。啟動(dòng)ZigBee3.0協(xié)議云模塊協(xié)調(diào)器，初始化網(wǎng)絡(luò)，再逐步將最終節(jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)中。

首先對(duì)CC2530芯片、Z堆棧協(xié)議棧、串口及相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，構(gòu)建ZigBee3.0網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的云模塊協(xié)調(diào)器置于循環(huán)檢測(cè)狀態(tài)，能夠響應(yīng)最終節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)最終節(jié)點(diǎn)設(shè)備也開(kāi)始運(yùn)行掃描標(biāo)記。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)分析協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以接收數(shù)據(jù)信息初始化網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的請(qǐng)求指令，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求指令，立即響應(yīng)確認(rèn)信息，并為終端節(jié)點(diǎn)分配16位短地址建立鏈路，這樣協(xié)調(diào)器就可以連接到最終節(jié)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)通信。而終端節(jié)點(diǎn)通電后，會(huì)進(jìn)行主動(dòng)分析通信范圍，找到建立網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)協(xié)議。如果終端節(jié)點(diǎn)在分析周期內(nèi)接收到該標(biāo)記，并且使發(fā)出該標(biāo)記的協(xié)調(diào)器具有足夠的地址資源，則終端節(jié)點(diǎn)可以加入網(wǎng)絡(luò)。

在整個(gè)過(guò)程中，協(xié)調(diào)器向最終節(jié)點(diǎn)發(fā)出兩個(gè)確認(rèn)幀，即請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)指令確認(rèn)幀的最終節(jié)點(diǎn)和相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)請(qǐng)求幀。終端節(jié)點(diǎn)接收到關(guān)聯(lián)的應(yīng)答請(qǐng)求幀后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，確認(rèn)并接收到協(xié)調(diào)器應(yīng)答的短地址和擴(kuò)展地址信息，等待網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)也將接收到對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入請(qǐng)求的應(yīng)答，如果協(xié)調(diào)器可以通過(guò)該應(yīng)答器正式建立連接網(wǎng)絡(luò)，則可以實(shí)現(xiàn)通信。實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)將越來(lái)越普及。針對(duì)該設(shè)計(jì)總體而言，采用了ZigBee3.0協(xié)議云模塊搭載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程訪問(wèn)設(shè)備、網(wǎng)關(guān)控制器和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊三部分組成。其中，遠(yuǎn)程訪問(wèn)設(shè)備主要是由微機(jī)、可移動(dòng)通信設(shè)備組成；而網(wǎng)關(guān)控制器則依賴(lài)路由器、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)互饋構(gòu)建，其以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊作為核心單元是ZigBee3.0協(xié)議的云模塊協(xié)調(diào)器、電器控制節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳感器檢測(cè)部分等組成?？v觀整個(gè)系統(tǒng)其基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量和顯示，使用者能夠及時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境情況，從而快速有效地控制家用電器運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)使用調(diào)試后發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)過(guò)作具有低成本、低功耗、線(xiàn)路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有很廣闊的應(yīng)用空間和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王維，康世英，張忠.基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].價(jià)值工程，2020，39（5）：258-259.

[2] 張梅梅.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2017.

[3] 檀三強(qiáng)，程鯤鵬，趙長(zhǎng)金，等.基于遠(yuǎn)程雙終端的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（1）：32-35.

[4] 王宗，陳德為，藍(lán)承燕，等.基于樹(shù)莓派智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].電視技術(shù)，2020，44（7）：76-80.

[5] 蔡云飛，石庭敏，唐振民.基于雙多線(xiàn)激光雷達(dá)的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境負(fù)障礙感知技術(shù)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2018，44（3）：569-576.

[6] 虞文鵬，羅招賢，余順琴.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2018，42（2）：285-287.

[7] 鄧健，王立華.基于MicroPython和CC3200的智能家居數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2020，43（1）：137-141.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】