物聯網與智能家居教學系統

朱明武 朱斌庚 劉桂雄 南瑞亭

（華南理工大學機械與汽車工程學院）

1 引言

物聯網是指通過射頻識別、無線傳感器網絡等信息傳感設備，按約定協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。2010年3月5日，溫家寶總理在政府工作報告中，明確將“加快物聯網的研發應用”納入戰略性新興產業發展的任務[2]。2010年初教育部下達了高校開設物聯網專業申報通知，眾多高校爭相申報。物聯網專業的開設熱潮帶來了對物聯網教學工具的迫切需求，但目前市面上合適的物聯網實驗系統很少。同時，智能家居作為物聯網的重要應用已得到政府和企業的支持[3]。本文結合ZigBee無線通信技術、3G移動通信技術、傳感器技術及 C#編程技術，研發一個以智能家居為依托的物聯網教學系統。

2 系統結構設計

圖1為物聯網框架圖，它分為感知層、網絡層和應用層[4]。其中，感知層是網絡與物品直接接觸層，負責數據采集、傳感器網絡組網和協同信息處理；網絡層通過互聯網、移動通信網等網絡把信息無障礙、高可靠性地傳送；應用層實現物與人的交互。基于智能家居需求以及物聯網結構層次，設計出圖2 所示的物聯網與智能家居教學系統。感知層采用 ZigBee技術進行傳感器網絡組網，眾多ZigBee節點與傳感器、執行器相連，負責上傳信息給 ZigBee協調器，同時接收協調器下發的命令控制家居設備。網絡層支持互聯網和移動通信網，PC用戶可通過本地PC主控軟件對家居設備進行狀態查詢和控制；手機用戶可通過短信對家居設備進行狀態查詢和控制，移動通信設備選用3G模塊；網絡用戶可通過網頁對家居設備進行狀態查詢和控制。

圖1 物聯網框架圖

3 系統關鍵技術

實現此系統的關鍵主要有感知層的家居設備組網、網絡層的移動通信和應用層的用戶交互界面，三者分別對應ZigBee無線通信技術、3G移動通信技術、主控軟件編程技術。

3.1 感知層的ZigBee無線通信技術

ZigBee是一種低功耗、低傳輸速率、低成本、低復雜度、短距離的無線通信技術，尤其適合傳輸數據量小、功耗要求低、網絡節點要求多的場所。而智能家居設備密集、傳感器通信距離短、數據量不大，符合ZigBee特點。ZigBee建立在IEEE 802.15.4協議基礎上，增加網絡層和應用層，支持星型、樹狀、網狀等自組織網絡類型，網絡可容納多達64000個設備，組網距離可由幾十米擴展到上千米。ZigBee節點可分網絡協調器、全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)三種，網絡協調器實際上是一種 FFD設備，負責啟動整個ZigBee網絡，FFD比RFD擁有更強大計算能力和更豐富系統資源，可作為網絡建立者、管理者或終端設備；RFD常作為終端設備，從FFD接收信息或將信息傳遞給FFD[5]。

圖2 物聯網與智能家居教學系統結構圖

本系統ZigBee設備選用JENNIC公司JN5139系列模塊，使用一個全功能設備JN5139-Z01-M02R1作為 ZigBee網絡協調器，用于接收上位機指令及發送網絡節點信息給上位機；使用三個簡化功能設備JN5139-Z01-M01R1作為網絡節點，用于控制家居設備及上傳狀態信息。整個網絡工作于星型網絡結構。圖3 為ZigBee節點組網流程圖。

3.2 網絡層的3G移動通信技術

圖3 ZigBee組網流程

手機用戶與智能家居網絡的聯系紐帶是移動通信網，這里選用3G技術。3G模塊選用華為EM560模塊，它支持TD-SCDMA(3G)和GSM(2G)兩種網絡，是目前業界唯一同時支持 A頻段(1880MHz～1920MHz)和B頻段(2010MHz～2025MHz)的TD模塊，它支持mini PCI-Express和UART接口，支持短信、語音、電話本、補充業務等功能，對它驅動由AT命令實現。表1列出了短信收發的幾條重要AT命令。

表1 短信收發相關的重要AT命令

根據GSM 07.05的定義，SMS短信有Block、Text和PDU等三種模式。Block模式需模塊生產廠家提供驅動；Text模式只支持英文短信息；PDU模式支持中英文短信息，本系統采用PDU模式。

接收短信的PDU串格式與發送短信的PDU串格式不同，需要編寫特定的PDU編碼程序。例如，向13680337931號碼發送一條短信，內容是“節日”，則 PDU串為：0891 683108200005F0 11000D91 6831863073 39F1 0008FF04 828265E5。其中，683108200005F0表示服務中心號碼8613800200500，鄰位對調，補‘F’湊雙數；683186307339F1表示對方號碼8613680337931，鄰位對調，補‘F’湊雙數；828265E5表示短信內容“節日”的Unicode編碼。收到13680337931號碼發來的一條短信，內容是“節日”，則 PDU 串為：0891 683108100005F0 040D91 683186307339F1 0008 11604201530523 04 828265E5。其中，683108200005F0表示服務中心號碼8613800200500；683186307339F1表示對方號碼8613680337931；11604201530523表示短信時間2011-06-24 10:35:50 UTC+8時區；828265E5表示短信內容“節日”的Unicode編碼。

3.3 主控軟件編程技術

主控軟件用C#語言在Visual Studio 2008環境下開發，C#是.NET框架重點推出的面向對象開發語言，具備C++語言安全性和VB語言快速開發特點，適合用戶界面開發[6]。主控軟件與ZigBee協調器通過串口連接，.NET平臺提供SerialPort類操作串口。主控軟件與3G模塊EM560通過USB連接，PC操作系統的注冊表會創建一個虛擬串口，對虛擬串口寫AT命令即可控制 EM560。使用 SerialPort一般先配置PortName、BaudRate、Parity、DataBits、StopBits，然后用Open()打開串口，用Close()關閉串口，用Read()讀串口，用Write()寫串口。串口接收采用事件觸發方法，只需重載SerialPort.DataReceived事件。

4 系統實現

4.1 系統工作流程

系統工作流程如圖4所示。首先，手機用戶通過短信把控制命令發送到 3G模塊，收到短信后通過USB傳給主控中心PC，主控中心解釋命令并通過串口發給ZigBee協調器，協調器通過ZigBee無線網絡把命令發給指定分控終端 ZigBee節點，節點根據命令控制繼電器，從而實現手機用戶對家電的控制；其次，ZigBee節點執行命令后，向ZigBee協調器返回狀態，協調器把狀態傳送給主控中心，主控中心通過3G模塊以短信方式發送到用戶手機上，從而實現家居對手機用戶的回答。此外，PC用戶還可通過主控中心 PC機的主控軟件直接控制家電和查詢家電狀態。

圖4 系統工作流程

4.2 系統主控軟件

主控軟件主要考慮以下問題：(1)界面美觀得體、色彩柔和、內容簡潔、布局均勻；(2)控制圖與實物相似，形象生動。如開燈則燈的圖標和按鈕變亮色，關燈則變暗色；(3)界面給出物聯網智能家居原理圖，導引清晰，易教易學；(4)自動搜索，軟件啟動后會讀取 PC操作系統的串口注冊表，自動搜索 ZigBee協調器和3G模塊設備，無需手動設置串口參數和人工搜索；(5)聯動控制，控制家電的三種方式（短信控制、軟件控制、手動控制）可單獨控制，也可聯合控制，短信控制的命令和狀態會在軟件的狀態欄顯示。圖5為主控軟件界面。

圖5 主控軟件界面

4.3 系統可開設的實驗

根據物聯網專業的教學科研需求，在此系統基礎上可設計多種實訓實驗，如傳感器信息采集實驗、無線信號收發實驗、ZigBee網絡通訊實驗、上位機軟件交互控制實驗等等。

(1)ZigBee節點組網實驗 協調器上電，系統自動播報歡迎語音；節點1上電，1秒鐘后與協調器組網成功，節點1的綠燈閃；節點2上電，1秒鐘后節點2加入節點1與協調器的網絡成功，節點2的綠燈閃，同樣依次啟動其他節點加入網絡。

(2)軟件控制電燈電扇實驗 點擊軟件的開燈按鈕，被控燈亮，軟件的燈圖標變亮、按鈕文字變成“關”；再按此按鈕，被控燈滅，軟件的燈圖標變暗、按鈕文字變成“開”；點擊軟件的開風扇按鈕，被控風扇轉，軟件的按鈕文字變成“關”；再按此按鈕，被控風扇停，軟件的按鈕文字變成“開”。

(3)短信控制電燈(或電扇)實驗 手機編輯短信“L1ON”(開燈1)發到3G模塊的SIM卡號碼，被控燈亮，軟件的燈圖標變亮、按鈕文字變成“關”，同時收到3G模塊的短信回復“L1ON：OK”(開燈1成功)；手機編輯短信“L1OFF”(關燈 1)發到 3G 模塊的SIM卡號碼，被控燈滅，軟件的燈圖標變暗、按鈕文字變成“開”，同時收到 3G模塊的短信回復“L1OFF：OK”(關燈1成功)。

5 結束語

物聯網和智能家居技術是當前研究熱點，本文結合二者為物聯網相關專業開發教學工具。本教學系統實現了短信、軟件、手動三種方式控制家電。系統具有自動搜索下位機設備、自動組網的特點，系統啟動播報歡迎語音，軟件界面形象生動，并且可進行多種全面的實驗，滿足物聯網專業的教學和科研需求。

[1]Atzori Luigi,Iera Antonio,Morabito Giacomo. The Internet of Things: A survey [J]. COMPUTER NETWORKS,2010,54(15):2787-2805.

[2]溫家寶.政府工作報告[R].北京:第十一屆全國人民代表大會第三次會議,2010.

[3]張云勇,房秉毅.基于物聯網的智能家居技術標準化現狀及發展建議[J].移動通信,2010,(15):25-29.

[4]張暉.物聯網技術框架與標準體系[N].中國計算機報,2010-03-15(32).

[5]周怡頲,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表,2005,26(6):5-9.

[6]葛磊蛟,姚素娟,毛一之,等.基于 C#.NET的 GSM MODEM短信貓應用設計開發[J].現代電子技術,2009,(6):94-96.