智能家居網關綜合系統的設計與實現

摘 要：結合當前智慧家居系統功能需求，對智能家居網關技術進行了分析，并在此基礎上，構建了嵌入式短距離無線ZigBee通信方式的智能家居網關綜合系統架構，基于系統整體架構，對硬件實施過程進行了詳細設計。智能家居網關綜合系統的設計與實現，對智慧家居的應用及推廣具有重要意義。

關鍵詞：智能家居；網關；ZigBee

1 概述

隨著計算機技術、網絡技術、無線通信技術的不斷成熟，物聯網開始應用于社會各個領域，并不斷改變著人們的生活和生產方式。智能家居系統，是物聯網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、多媒體等設備互聯，實現數據的集中管理與控制。智能家居系統采用嵌入式技術，使用網關傳感節點和平臺管理軟件對數據進行采集、傳輸與管理。在智能家居系統中，智能網關作為統一收集家居環境中各電氣設備的信息及運行狀態的重要設備，對整個智能家居系統的性能起著關鍵性作用。通過智能網關，實現家居系統中各個節點互聯，用戶可以隨時隨地查看居室環境、控制家庭中的電氣設備。因此，采用當前主流傳輸技術——無線射頻收發技術及嵌入式管理平臺，設計基于ZigBee技術的智能家居網關綜合系統，對開發及優化智慧家居系統具有重要意義。

2 智能家居網關綜合系統設計

2.1 智能家居系統功能分析

結合實際應用，智能家居系統主要實現安全監測、信息獲取、節點控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統。

（1）家庭安全子系統：實現廚房安全監測、燃氣數據超標監測、廚房報警，當狀態超出控制范圍，由網關發送警情短信給業主，或撥打電話給物業。（2）智能控制子系統：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉發器實現對電視、冰箱、空調等家電設備的控制。燈光控制則通過無線的方式實現對燈光、強電智能開關控制器等設備的控制。（3）宜居生活子系統：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。系統從互聯網中即時獲取當地天氣信息，具有推送信息、提醒等功能。居室傳感器與家用電器的反饋控制系統實現溫濕度節點與空調扇及加濕器等居室溫濕度自動調節、光線節點與窗簾/照明燈的光線自動調節、紅外轉換器代替多個遙控器的紅外控制等。（4）系統設置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動家庭安全，關閉宜居生活；居家模式啟動家庭安全，啟動宜居生活的基本級別監控；自由模式可根據用戶生活習慣自由設置。在系統設置中可以預設電話，比如業主或物業電話等。因此，結合以上智能家居系統功能，智能網關綜合系統作為智能家居系統中的重要構成，主要負責數據的采集、處理及傳輸。

2.2 綜合系統架構設計

在整體系統功能分析的基礎上，進行了綜合網關系統的架構設計，系統架構包含ZigBee可燃氣體傳感器節點、ZigBee窗簾控制器節點、ZigBee溫濕度節點、ZigBee光線傳感器節點、紅外轉發節點、ZigBee控制插座等。系統架構具體設計如圖1所示。

智能家居網關綜合系統采用先進的無線通信技術，通過ZigBee短距離無線通信方式實現家庭基礎設施與網關的互聯互通，省掉了繁瑣的布線。傳感器/執行器采用2.4G頻段，與智能網關之間以ZigBee技術實現無線連接方式，通過Wifi或Ethernet將網關接入局域網，或通過GPRS/3G模塊將網關接入移動互聯網。

3 硬件系統實現

基于以上對智能家居系統功能、智能家居綜合網關系統的設計架構分析，系統硬件的實施主要包含智能網關、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 智能網關

智能網關是該系統中的核心構件，通過智能網關， 實現ZigBee網絡與wifi網絡的無縫對接，完成數據的轉換和傳輸。傳感器感知并采集數據后，發送至此網關，網關再將數據轉換后傳輸至wifi網絡。系統采用高性能的四核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，網關芯片如圖2。

ZigBee網關的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE 802.15.4和ZigBee應用，經濟且低功耗，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據包處理引擎。

3.2 可燃氣體傳感器實現

該系統選用 MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用于家庭或工業上的液化氣、煤氣天、燃氣監測裝置。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。

可燃氣體的無線數據包格式如圖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據格式如圖4所示。

地址：加入傳感器模塊地址

數據：GAzzz（3字節ASCII碼數據）

可燃氣體傳感器測試ASCII數據為“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

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

窗簾控制器的無線通信數據包格式如圖5所示。

TDP：窗簾控制器

地址：用于存儲傳感器模塊地址

數據：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，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。

溫濕度節點無線通信數據包格式如圖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 返回數據的格式

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。

無線插座通信數據包格式如圖9所示。

TRE：測試繼電器

地址：加入傳感器模塊地址

數據：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 軟件系統實現

通過以上功能分析及系統設計，實現了以嵌入式為基礎，采用Android4.0，通過網關采集家居設施各相關節點數據，以實現宜居生活、智能控制、家庭安全監測等功能的智能家居網關綜合系統。系統實施過程中，按節點的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數據的同時，寫入到后臺數據庫，系統為安防報警傳感器設置一定的閥值，在超過值時提示報警信息，并可以通過3G發送到移動終端。具體界面如圖11所示。

5 結束語

綜上所述，在智能家居控制系統中，智能家居網關是整個系統的中心結點，它在系統應用過程中承載著上傳下達的功能，通過對系統功能需求進行具體分析，構建了基于嵌入式的系統整體架構，并在架構基礎上，進行了硬件系統的整體設計。系統采用了低功耗的ZigBee技術及當前流行的安卓應用技術開發，具有良好的應用推廣價值。

參考文獻

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