智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：結(jié)合當前智慧家居系統(tǒng)功能需求，對智能家居網(wǎng)關(guān)技術(shù)進行了分析，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了嵌入式短距離無線ZigBee通信方式的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)架構(gòu)，基于系統(tǒng)整體架構(gòu)，對硬件實施過程進行了詳細設(shè)計。智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，對智慧家居的應用及推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能家居；網(wǎng)關(guān)；ZigBee

1 概述

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、無線通信技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)開始應用于社會各個領(lǐng)域，并不斷改變著人們的生活和生產(chǎn)方式。智能家居系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)不斷普及時代應運而生的典型智慧工程案例，通過應用短距離無線通信方式，將傳感器、家用電器、多媒體等設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與控制。智能家居系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，使用網(wǎng)關(guān)傳感節(jié)點和平臺管理軟件對數(shù)據(jù)進行采集、傳輸與管理。在智能家居系統(tǒng)中，智能網(wǎng)關(guān)作為統(tǒng)一收集家居環(huán)境中各電氣設(shè)備的信息及運行狀態(tài)的重要設(shè)備，對整個智能家居系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性作用。通過智能網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)家居系統(tǒng)中各個節(jié)點互聯(lián)，用戶可以隨時隨地查看居室環(huán)境、控制家庭中的電氣設(shè)備。因此，采用當前主流傳輸技術(shù)——無線射頻收發(fā)技術(shù)及嵌入式管理平臺，設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)，對開發(fā)及優(yōu)化智慧家居系統(tǒng)具有重要意義。

2 智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能家居系統(tǒng)功能分析

結(jié)合實際應用，智能家居系統(tǒng)主要實現(xiàn)安全監(jiān)測、信息獲取、節(jié)點控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統(tǒng)。

（1）家庭安全子系統(tǒng)：實現(xiàn)廚房安全監(jiān)測、燃氣數(shù)據(jù)超標監(jiān)測、廚房報警，當狀態(tài)超出控制范圍，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送警情短信給業(yè)主，或撥打電話給物業(yè)。（2）智能控制子系統(tǒng)：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)對電視、冰箱、空調(diào)等家電設(shè)備的控制。燈光控制則通過無線的方式實現(xiàn)對燈光、強電智能開關(guān)控制器等設(shè)備的控制。（3）宜居生活子系統(tǒng)：包含生活服務提示、居室傳感器與家用電器的反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從互聯(lián)網(wǎng)中即時獲取當?shù)靥鞖庑畔ⅲ哂型扑托畔ⅰ⑻嵝训裙δ堋＞邮覀鞲衅髋c家用電器的反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫濕度節(jié)點與空調(diào)扇及加濕器等居室溫濕度自動調(diào)節(jié)、光線節(jié)點與窗簾/照明燈的光線自動調(diào)節(jié)、紅外轉(zhuǎn)換器代替多個遙控器的紅外控制等。（4）系統(tǒng)設(shè)置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動家庭安全，關(guān)閉宜居生活；居家模式啟動家庭安全，啟動宜居生活的基本級別監(jiān)控；自由模式可根據(jù)用戶生活習慣自由設(shè)置。在系統(tǒng)設(shè)置中可以預設(shè)電話，比如業(yè)主或物業(yè)電話等。因此，結(jié)合以上智能家居系統(tǒng)功能，智能網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，主要負責數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。

2.2 綜合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在整體系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，進行了綜合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)包含ZigBee可燃氣體傳感器節(jié)點、ZigBee窗簾控制器節(jié)點、ZigBee溫濕度節(jié)點、ZigBee光線傳感器節(jié)點、紅外轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、ZigBee控制插座等。系統(tǒng)架構(gòu)具體設(shè)計如圖1所示。

智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)采用先進的無線通信技術(shù)，通過ZigBee短距離無線通信方式實現(xiàn)家庭基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)互通，省掉了繁瑣的布線。傳感器/執(zhí)行器采用2.4G頻段，與智能網(wǎng)關(guān)之間以ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線連接方式，通過Wifi或Ethernet將網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)，或通過GPRS/3G模塊將網(wǎng)關(guān)接入移動互聯(lián)網(wǎng)。

3 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

基于以上對智能家居系統(tǒng)功能、智能家居綜合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)分析，系統(tǒng)硬件的實施主要包含智能網(wǎng)關(guān)、可燃氣體傳感器、無線窗簾控制器、溫濕度傳感器、無線插座繼電器等元件。

3.1 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)中的核心構(gòu)件，通過智能網(wǎng)關(guān)， 實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與wifi網(wǎng)絡的無縫對接，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。傳感器感知并采集數(shù)據(jù)后，發(fā)送至此網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸至wifi網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用高性能的四核Cortex-A9核心板，該核心板采用三星Exynos4412作為主處理器，運行主頻可高達1.5GHz，Exynos4412內(nèi)部集成了Mali-400 MP高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，網(wǎng)關(guān)芯片如圖2。

ZigBee網(wǎng)關(guān)的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE 802.15.4和ZigBee應用，經(jīng)濟且低功耗，且支持無線更新和大型應用程序，可編程輸出功率達到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗，具有強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎。

3.2 可燃氣體傳感器實現(xiàn)

該系統(tǒng)選用 MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用于家庭或工業(yè)上的液化氣、煤氣天、燃氣監(jiān)測裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對液化氣、天燃氣、煤氣較好的靈敏度和快速響應及恢復特性。

可燃氣體的無線數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

RGA：讀可燃氣體傳感器

地址段：用于存儲傳感器模塊地址

命令：RGA

讀取成功返回后的數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

地址：加入傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：GAzzz（3字節(jié)ASCII碼數(shù)據(jù)）

可燃氣體傳感器測試ASCII數(shù)據(jù)為“123”表示可燃氣體的ADC采樣值為0x7B。

3.3 無線窗簾控制器實現(xiàn)

通過ZigBee模塊無線控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)窗簾的開啟與閉合。該模塊分兩路對窗簾進行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時實現(xiàn)雙層窗簾家居應用的要求。

窗簾控制器的無線通信數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。

TDP：窗簾控制器

地址：用于存儲傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：yy == D1/D2 +0/1/2endprint

D1/D2：表示窗簾1或2

0/1/2：0表示窗簾開 1表示窗簾關(guān)，2表示暫停

3.4 溫濕度傳感器選型

選用SHT1x，包括 SHT10， SHT11和SHT15型號。SHT1x屬于 Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板。

溫濕度節(jié)點無線通信數(shù)據(jù)包格式如圖7所示。

RSH：讀高精溫濕度傳感器

地址段：用于存儲傳感器模塊地址

命令：RSH

WD代表溫度傳感器，SD代表濕度傳感器

圖8 返回數(shù)據(jù)的格式

3.5 無線插座繼電器選型

無線插頭是最重要的控制元件之一，用于遙控、遙測、通訊、自動控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。

無線插座通信數(shù)據(jù)包格式如圖9所示。

TRE：測試繼電器

地址：加入傳感器模塊地址

數(shù)據(jù)：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

E1/E2/E3/E4：表示繼電器1或2

0/1：1表示閉合 0表示斷開

4 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

通過以上功能分析及系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了以嵌入式為基礎(chǔ)，采用Android4.0，通過網(wǎng)關(guān)采集家居設(shè)施各相關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)宜居生活、智能控制、家庭安全監(jiān)測等功能的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)實施過程中，按節(jié)點的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數(shù)據(jù)的同時，寫入到后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)為安防報警傳感器設(shè)置一定的閥值，在超過值時提示報警信息，并可以通過3G發(fā)送到移動終端。具體界面如圖11所示。

5 結(jié)束語

綜上所述，在智能家居控制系統(tǒng)中，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的中心結(jié)點，它在系統(tǒng)應用過程中承載著上傳下達的功能，通過對系統(tǒng)功能需求進行具體分析，構(gòu)建了基于嵌入式的系統(tǒng)整體架構(gòu)，并在架構(gòu)基礎(chǔ)上，進行了硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計。系統(tǒng)采用了低功耗的ZigBee技術(shù)及當前流行的安卓應用技術(shù)開發(fā)，具有良好的應用推廣價值。

參考文獻

[1]桑世慶，戈秀龍.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（10）.

[2]盧曉慧，桑世慶.基于J2EE框架的高校創(chuàng)業(yè)信息服務平臺的構(gòu)建[J].科技通報，2011（4）.

[3]盧曉慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)下智能家居系統(tǒng)的研究[J].科技通報，2013（5）.endprint