智能家庭系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

劉江蘇

摘 要 智能網(wǎng)關(guān)是智能家庭系統(tǒng)的核心部分，本文主要研究ZigBee相關(guān)技術(shù)，設(shè)計功能完善、應(yīng)用方便的智能網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器和PC組成，本文介紹其硬件組成和軟件功能設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】智能網(wǎng)關(guān) ZigBee 智能家庭

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家庭系統(tǒng)應(yīng)用前景變得越來越明朗，設(shè)計一個技術(shù)先進(jìn)，用戶使用方便的智能家庭系統(tǒng)有著很大的實際意義。本智能家庭系統(tǒng)基于ZigBee無線通信技術(shù)，用戶利用安卓智能終端控制使用。整個系統(tǒng)中最為核心的部件就是智能網(wǎng)關(guān)，一個功能完善、應(yīng)用可靠、使用方便的智能網(wǎng)關(guān)對于智能家庭系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee又稱紫蜂協(xié)議，是近年來新興的一種短距離無線通信技術(shù)。由于其低功耗、低復(fù)雜度和自組織等特點在物聯(lián)網(wǎng)方面得到了廣泛應(yīng)用。ZigBee協(xié)議分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。

相較于藍(lán)牙、Wi-Fi和紅外等短距離無線通信技術(shù)，ZigBee有著其獨特的優(yōu)勢。例如低功耗，其一個節(jié)點只需要2節(jié)5號電池便可以工作6-24個月；低成本，ZigBee免協(xié)議專利費，一個芯片只需要約2美元；高容量，一個節(jié)點可以管理254個子節(jié)點。正是由于這些特點，ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用于智能家庭系統(tǒng)中。

2 智能網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中的地位

基于無線互聯(lián)網(wǎng)的智能家庭系統(tǒng)使得用戶可以利用移動終端設(shè)備實時監(jiān)測家庭環(huán)境，發(fā)出控制指令來操控家居智能設(shè)備，而接收及發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的設(shè)備就是整個系統(tǒng)的中樞，即智能網(wǎng)關(guān)。

智能網(wǎng)絡(luò)在整個系統(tǒng)中處于核心地位，是智能終端設(shè)備和用戶控制端的數(shù)據(jù)交流中樞。

3 智能網(wǎng)關(guān)的硬件組成

本智能家居系統(tǒng)采用的是基于Zigbee技術(shù)實現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，因此智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)備由一臺PC機(jī)和一個zigbee協(xié)調(diào)器組成。ZigBee協(xié)調(diào)器主要的任務(wù)是實現(xiàn)各個傳感器終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)處理。

ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件核心是cc2530芯片，該芯片是由美國TI公司設(shè)計，其具有強(qiáng)大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎。該芯片結(jié)合德州儀器的ZigBee協(xié)議棧，實現(xiàn)一個相對完整的ZigBee解決方案，是低成本低功耗組網(wǎng)方案的較好選擇。cc2530 具有不同的運行模式，其采用的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，功能強(qiáng)大，應(yīng)用型較強(qiáng)。總體而言，cc2530是一個優(yōu)秀的SoC解決方案，是智能家庭系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)芯片的很好選擇。

其次還包括usb接口，主要作用是與PC機(jī)相連利用串口將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)的相應(yīng)服務(wù)器軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示。

PC的硬件選擇相對較容易，為了提高智能家庭系統(tǒng)的適應(yīng)性，硬件方面要求較低，主流的家用PC都能滿足要求。

4 智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計主要包括兩個部分，一個部分是ZigBee協(xié)調(diào)器的功能實現(xiàn)編碼，另一個部分就是安裝在PC機(jī)上用戶使用的服務(wù)器端軟件。

4.1 ZigBee協(xié)調(diào)器編碼

ZigBee協(xié)調(diào)器的編碼實現(xiàn)主要是利用IAR810工具編寫代碼，其后使用仿真器將相應(yīng)程序?qū)懭氲絚c2530芯片中，并調(diào)試完成。

下面以控制LED燈為例介紹其具體實現(xiàn)過程。

對于LED終端，其工作主要是根據(jù)接收的控制指令來打開或者關(guān)閉LED燈，同時還需要將當(dāng)前LED燈的狀態(tài)反饋協(xié)調(diào)器，以便在服務(wù)器和用戶移動端顯示。LED終端首先會以向協(xié)調(diào)器單播的方式加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

對于協(xié)調(diào)器而言，需要先進(jìn)行串口初始化，然后將其設(shè)置為廣播方式。隨后ZigBee協(xié)調(diào)器就以廣播方式與各終端組網(wǎng)。待組網(wǎng)成功之后，協(xié)調(diào)器會將終端傳輸過來的相關(guān)數(shù)據(jù)利用串口送給PC端服務(wù)器。如果收到PC服務(wù)器通過串口傳送過來的各種控制命令，協(xié)調(diào)器會利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給各個終端，實現(xiàn)相應(yīng)功能。對于LED燈終端控制指令就是打開和關(guān)閉兩個。

4.2 PC端服務(wù)器軟件設(shè)計

對于PC端服務(wù)器，其主要工作是將協(xié)調(diào)器通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)一方面顯示在利用visual studio 2012開發(fā)的應(yīng)用控制端，另一方面利用socket通信發(fā)送給用戶安卓客戶端。當(dāng)然服務(wù)器也會向安卓客戶端發(fā)送來的指令（例如打開或者關(guān)閉LED燈）通過串口傳輸給協(xié)調(diào)器。

本系統(tǒng)的PC端服務(wù)器界面設(shè)計如下的一些功能控件。

4.2.1 系統(tǒng)設(shè)置

一個下拉菜單用于選擇PC連接協(xié)調(diào)器的串口及打開串口控制按鈕。另一方面是啟動和關(guān)閉服務(wù)按鈕及用于顯示服務(wù)器IP地址的文本框。啟動服務(wù)器之后，在用戶的安卓客戶端輸入服務(wù)器的對應(yīng)IP地址就可以與服務(wù)器連接，實現(xiàn)信息的顯示和感應(yīng)器終端功能控制。

4.2.2 功能控制和信息顯示

第一個是窗簾控制，設(shè)計了用于控制窗簾電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的兩個按鈕，對應(yīng)于窗簾的打開和關(guān)閉。其次是LED燈控制，設(shè)計了一個按鈕用于LED燈的開關(guān)。然后是插座，設(shè)計一個按鈕用于插座的開關(guān)。最后就是信息的顯示，主要包括有溫度、濕度和煙霧，分別設(shè)計了文本框控件用于顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

智能網(wǎng)關(guān)是整個智能家庭系統(tǒng)的核心部分，一個高效、易用的智能網(wǎng)關(guān)對整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。從硬件方面而言，本系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計采用的是TI公司開發(fā)的cc2530芯片協(xié)調(diào)器，軟件設(shè)計功能完善，用戶使用簡單，有較好的應(yīng)用前景，具備一定的推廣價值。

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