基于ZigBee的嵌入式智能家居管理系統的設計和實現

張國揚，朱樹先，王 康，沈心怡

（蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州　215009）

基于ZigBee的嵌入式智能家居管理系統的設計和實現

張國揚，朱樹先，王 康，沈心怡

（蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州215009）

基于設計以ZigBee為基礎的嵌入式智能家居系統的目的，采用了以ARM Cortex TM-A8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片為硬件平臺，通過ZigBee自組織方式組網以及SQLite作為嵌入式數據庫的方法，實現了ZigBee通信網絡、嵌入式網關、Web服務器、手機應用交互程序之間的相互通信以及對系統內部數據的管理，結合實際應用，此種方法設計的嵌入式智能家居系統有效。

智能家居；ZigBee；嵌入式網關；SQLite；WEB服務器

隨著人們生活水平的提高、消費觀念的轉變，以及智能家居技術的成熟、物聯網的發展，實現更加自動化、舒適化、安全化、節能化的家居生活已成為可能。目前通常把智能家居定義為利用電腦、網絡和綜合布線技術，通過家庭信息管理平臺將與家居生活有關的各種子系統有機地結合的一個系統。智能家居的基本目標是為消費者創造一個舒適、安全、方便的生活環境。就目前的發展趨勢分析，預計在今后的幾年內全世界將有近億的家庭構建智能、舒適、高效的家居生活。

智能家居包含3種組網形式：集中布線技術、X10電力載波技術、無線RF技術。其中集中布線技術雖最穩定，但其成本高、布線復雜、工期長，而國內X10電力載波技術存在著電網信號易波動，系統的穩定性較差［1］。對于無線RF技術，ZigBee無線通信技術具有低功耗、低數據速率、低成本、安全性能高的特點，主要應用于自動控制和遠程控制領域；以直序擴頻技術提高抗干擾能力與數據傳輸可靠性；采用自組織方式組網，傳輸距離在110 m左右，但是通過靈活的網絡結構可以增加傳輸距離。綜上所述，ZigBee無線通信技術非常適合家庭內部組網，并且使智能家居系統更加安全與智能，因此，本系統采用 ZigBee無線通信技術進行智能家居的組網。

1　系統特點

本系統綜合了以往智能家居系統的優點，從新的角度出發設計一個完整的智能家居系統，考慮到實用性與良好的用戶體驗，該系統的具體功能如下。1）居住模式的一鍵選擇：一鍵選擇居家模式、睡眠模式、離家模式等居住模式，在每個模式下可以設定相應的預設值，從而優化用戶體驗，具有簡化操作的特點。2）家用電器的綜合監控：對系統內的相關家用電器的設置參數進行自動檢測，可根據檢測結果做出相應的反應，從而實現系統內家居電器的監控。3）室內環境的信息采集：定期采集室內的環境參數，主要監測濕度、溫度、CO2含量，并將采集到的環境傳遞到控制系統進行進一步處理。4）自動報警與安全防盜：當檢測到的環境參數超出設定的閥值，或通過人臉識別系統監測到陌生人未經允許入室，控制系統會做出相應的反應，并將警報信息發送到家庭成員的客戶端上。5）視頻采集的點對點處理：采用P2P網絡，實現監控設備的視頻采集、壓縮與解壓縮處理、快速傳送。

2　系統組成

本系統由ZigBee通信網絡、嵌入式網關、Web服務器、手機應用交互程序和數據庫SQLite5個部分組成，系統組成結構圖如圖1所示。其中ZigBee通信網絡作為內網通信使用，用于家庭內部各種家電設備互聯；網關負責家庭內部網絡和外部網的連接和和協議轉換，使用戶可以通過外部網絡對家庭內部網絡中的設備進行遠程監控［2］；WEB服務器實現信息的遠程信息與本地信息之間的相互交換；手機應用交互程序實現居住模式的一鍵選擇、家用電器的參數顯示、室內環境的信息顯示、自動報警信息的接收、視頻采集的點對點處理；SQLite數據庫負責家用電器狀態數據、溫濕度數據、用戶動作數據的存儲。

圖1　系統組成結構圖Fig．1　The structure of system composition

2.1ZigBee無線通信網絡

ZigBee無線通信網絡主要有兩個作用，其一為檢測各環境參數，并將其傳遞到服務器上，經過服務器分析之后，發送指令從而打開或關閉監控點，達到智能控制的目的；其二為對家庭內部各部分的遠程控制，如室內的燈光、溫濕度、電器、安防警報等。

網絡拓撲結構主要有星形結構、樹形結構和網絡結構3種，考慮到網絡的傳輸速率以及穩定性等，本系統采用樹形結構作為家居設備節點的網絡構架。樹形結構的網絡連接方式是在星形結構基礎上進一步拓展起來的，樹形結構中設計了轉發節點，主節點和各子節點間的通信依靠轉發節點作為中繼，每個轉發節點和它對應的葉子節點構成一個子星形拓撲結構［3］。

本系統的ZigBee無線通信網絡由協調器、路由節點、終端節點組成，其結構如圖2所示。其中協調器為樹形拓撲結構的主節點，路由節點為樹形拓撲結構的轉發節點，作為通信轉發的中繼，終端節點為葉子節點，負責數據的采集與設備的控制。協調器主要完成3個部分的工作：1）初始化組成樹形拓撲。2）將各個終端節點采集到的信息并解析，傳送給家庭網關，從而實現對數據的進一步分析和操作。3）接收網關傳輸過來的控制命令并封裝成協議包，將其通過路由節點送到特定的終端節點，從而實現用戶遠程控制相應的電器。

圖2　ZigBee無線通信網絡架構Fig．2　The communication network architecture of ZigBee wireless

本系統采用CC2530芯片作為ZigBee節點的主控芯片。CC2530是 1款針對 IEEE 802．15、ZigBee RF4CE和 Smart Energy的單芯片ZigBee系統解決方案。具有256 KB大容量閃存，非常適合于ZigBee PRO的應用［4］。

2.2嵌入式網關設計

本系統的嵌入式家庭網關主要進行ZigBee協議與TCP/ IP協議之間信息的傳輸，用戶通過手機應用交互程序在外網中遠程登陸到Web服務器中，向家庭內部的局域網發送控制信息，依據TCP/IP協議進行傳輸，到達網關后，網關存儲信息，并將信息包裝成可由ZigBee協議進行傳輸的數據類型，向家庭內部網絡發送信息；同時家庭內部網絡也可以把處理后的反饋信息通過以上路徑發送給網關，網關存儲信息，并將其包裝成可以在外網中傳輸的數據類型，最后通過TCP/IP協議反應到手機應用交互程序中。總的來說，家庭網關在智能家居系統中起到了連接外網和內部網絡，完成信息傳輸等核心功能。圖3為家庭網關功能實現結構圖。

圖3　家庭網關功能實現結構圖Fig．3　The structure of home gateway function implementation

2.3WEB服務器

手機應用交互程序輸入WEB服務器的IP地址向WEB服務器發送http登陸請求，服務器響應請求后返回跳轉到手機登陸界面，用戶輸入賬號和密碼后手機應用程序將向服務器提交表單，服務器根據表單內容調用相應的CGI腳本執行，若登陸成功則進入手機交互應用程序。同理，在點擊手機交互應用程序的按鈕時，將觸發服務器調用相應的CGI腳本。圖4為手機應用程序與WEB服務器相互訪問框圖，最終完成手機應用程序登錄認證及智能家居設備遠程控制等功能。

圖4　手機應用程序與WEB服務器通信流程圖Fig．4　Theflowchartofmobileapplicationand WEBservercommunication

采用SQLite來搭建系統數據庫，包含3張數據表：1）家用電器狀態數據表，定時存儲系統內家電設備的狀態，以便查詢和反饋；2）溫濕度數據表，定時存儲各節點的溫濕度數據供查詢及繪制曲線；3）用戶動作數據表，當用戶發生動作時記錄用戶的操作時間、操作內容、操作節點，以供為優化系統提供數據依據。

CGI（Common Gateway Interface）是外部應用程序與Web服務器之間的接口標準，是在CGI程序和Web服務器之間傳遞信息的規程。在物理上是一段程序，運行在服務器上，提供同客戶端HTML頁面的接口。

2.4手機應用交互程序

手機應用交互程序主要功能包括：1）居住模式的一鍵選擇：一鍵選擇居家模式、睡眠模式、離家模式等居住模式，在每個模式下可以設定相應的預設值，從而優化用戶體驗，具有簡化操作的特點。2）家用電器的參數顯示：對系統內的相關家用電器的設置參數進行實時地顯示。3）室內環境的信息顯示：顯示室內的環境參數，主要有濕度、溫度、CO2含量，并將采集到的環境傳遞到控制系統進行進一步處理。4）自動報警信息的接收：接收控制系統傳送的警報信息。5）視頻采集的點對點處理：向主控服務器發送監控請求、視頻解壓縮、播放和保存視頻以及圖片等功能，實現對家庭的實時視頻監控。圖3為手機應用交互程序界面的部分截圖。

圖5　手機應用交互程序界面部分截圖Fig．5　The screenshot of mobile application interaction interface program

3　系統硬件構成

3.1ZigBee模塊硬件構成

ZigBee模塊分為兩類，其一為監控模塊，以CC2530芯片為基礎的主控芯片連接著DH11芯片為基礎的傳感器、AMS1117芯片為基礎的電源模塊和射頻模塊；其二為控制模塊，以 CC2530芯片為基礎的主控芯片連接著繼電器、AMS1117芯片為基礎的電源模塊和射頻模塊。兩者的主要區別在于監控模塊負責采集數據并發送出去，控制模塊負責接收命令并進行相應設備的控制。其結構圖如圖6所示。

圖6　ZigBee網絡硬件構成圖Fig．6　The structure of ZigBee network hardware

本系統選用了CC2530作為主控芯片，核心板底連接了一個RFID射頻收發器，利用2．4 GHz頻段進行控制命令的轉發工作［5］。220 V市值電壓經過變壓器轉換為12 V電壓，再由AMS1117穩壓芯片將12 V電壓轉換為3．3 V電壓，為模塊提供穩定的電流。

監控ZigBee模塊連接著DH11芯片為基礎的傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器與一個高性能8位單片機相連接，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可以實現溫濕度的采集等。

控制ZigBee模塊連接著繼電器，電器控制由繼電器模塊組完成，繼電器模塊組以51單片機作為控制芯片，串口RXD，TXD連接另一個RFID接收模塊組，51芯片工作內容為操控RFID接收端接收RFID發射端發射的指令，完成繼電器模塊組的操控［5］。繼電器掛載著燈光照明模塊、電動窗簾模塊、門禁系統模塊等模塊，完成對家庭設備的控制。

3.2ZigBee網關硬件構成

本系統網關設計采用嵌入式ARM Cortex TM-A8開發平臺，核心部分為三星公司的的S5PV210處理器，S5PV210處理器主頻可達1 GHz，32位內部總線結構，可實現2000DMIPS（即每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力，對于緩存方面，S5PV210采用了32KB的數據/指令一級緩存，512KB的二級緩存，同時其內建MFC，具有強大的硬件編碼功能，其存儲控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2類型的RAM，可以用于文件系統的掛載，Flash支持Nandflash，Norflash，OneNand等，S5PV210還提供了豐富的外圍接口，為拓展該處理器的功能提供了極大的方便。圖7為網關硬件結構圖，圖8為網關實物圖。

4　結　論

文中提出了一種基于ZigBee和WEB服務器的嵌入式智能家居管理系統設計方案。給出了ZigBee通信網絡、嵌入式網關、Web服務器、手機應用交互程序之間相互通信的流程，并說明了SQLite服務器的構架，構建了以ARM Cortex TMA8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片為主的硬件平臺。經測驗，驗證了本系統的可行性，并可通過手機應用交互程序實現對智能家居管理系統的控制、管理。

圖7　網關硬件結構圖Fig．7　The structure of gateway hardware

圖8　網關實物圖Fig．8　The picture of the gateway

［1］王靈芝，葉關霞，張建造．基于Zigbee及BOA服務器的嵌人式智能家居的設計 ［J］．閩南師范大學學報:自然科學版，2014（3）：69-73．

［2］李寶山，劉夏辰．基于Zigbee技術的嵌入式智能家庭網關的設計［J］．計算機世界，2014:102-103．

［3］衛兵，郭玉堂，華玉鵬，等．一種基于無線傳感網的新型智能家居控制系統［J］．網絡與通信，2013（23）：61-64．

［4］閆偉，郝衛東，陳志丹，等．基于ZigBee技術的智能家居系統研究與設計［J］．網絡與通信，2014（16）：45-46，50．

［5］李社蕾，周磊，劉杰，等．基于物聯網的智能家居系統［J］．物聯網技術，2014（9）：40-43．

［6］李琪，秦會斌，楊永舒，等．基于Android平臺的智能家居系統設計［J］．電子設計工程，2014（24）:52-54，57．

Design and implementation of embedded intelligent home furnishing management system based on ZigBee

ZHANG Guo-yang，ZHU Shu-xian，WANG Kang，SHEN Xin-yi
（School of Electronic&Information Engineering，USTS，Suzhou 215009，China）

Based on the purpose of designing embedded intelligent home furnishing system based on the ZigBee．The system realized the ZigBee communication network，the embedded gateway，Web server，mobile phone application interaction between communication and the management of the system internal data by using ARM Cortex TM-A8 S5PV210 as hardware platform，ZigBee network self-organizing manner and using SQLite as an embedded database．Combined with practical application，this kind of method to design an embedded intelligent home furnishing system is fully useful．

intelligent home furnishing；ZigBee；embedded gateway；SQLite；the WEB server

TP273+．5

A

1674－6236（2016）02-0154-03

2015-02-07稿件編號：201502074

張國揚（1991—），男，江蘇淮安人。研究方向：無線傳感器網絡與嵌入式系統設計。