基于Web版微信與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計(jì)

周鼎 曹以龍

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的智能家居操作系統(tǒng)復(fù)雜、移植性差、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，文中提出了一種基于AM3358內(nèi)核的BeagleBone Black、Web版微信、ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由作為中央處理器的BBB、Web版微信登錄、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及各種可攜帶傳感器的終端組成。本系統(tǒng)完成了智能家居的硬件和軟件設(shè)計(jì)，內(nèi)網(wǎng)由CC2530和各類傳感器組建，外網(wǎng)采用Web微信登錄機(jī)制與內(nèi)網(wǎng)通信，完成通過(guò)協(xié)調(diào)器對(duì)各個(gè)終端數(shù)據(jù)的采集，并能通過(guò)Web版微信控制內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，登錄Web版微信便可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器設(shè)備的控制。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee；智能家居；Web版微信

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-0-03

0 引 言

智能家居以住宅為平臺(tái)，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)家居自動(dòng)一體化，為用戶提供高效便捷的家居環(huán)境。本設(shè)計(jì)以BBB作為上位機(jī)，外網(wǎng)采用微信個(gè)人登錄的方式對(duì)家居進(jìn)行控制，內(nèi)網(wǎng)采用TI公司的CC2530芯片作為無(wú)線收發(fā)器。終端傳感器多次對(duì)用戶信息進(jìn)行采集，通過(guò)BQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模擬出一種自適應(yīng)用戶習(xí)性擬合數(shù)據(jù)，反饋至BeagleBlack Bone存儲(chǔ)，可以通過(guò)發(fā)送指令控制家居調(diào)整至用戶需要的設(shè)置，從而達(dá)到使家居滿足用戶需求的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)網(wǎng)組建方式

一般來(lái)說(shuō)，智能家居系統(tǒng)分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)是用于家庭內(nèi)部設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通信的網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)指的是各類傳感器與協(xié)調(diào)器及協(xié)調(diào)器與BBB之間的通信，無(wú)線智能家居內(nèi)網(wǎng)組建采用ZigBee無(wú)線通信方式，不僅功耗低，其成本相對(duì)于藍(lán)牙等其他無(wú)線技術(shù)更低。

1.2 外網(wǎng)的組建

外網(wǎng)是指BBB與以太網(wǎng)的通信，微信登錄發(fā)送指令與BBB組成的網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有的用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的平臺(tái)大部分采用微信公眾號(hào)或者商家自帶的App。Web版微信登錄方式不僅移植性強(qiáng)，而且相比于公眾號(hào)更方便、安全、快捷；相比于App控制，后期維護(hù)成本更低，且操作簡(jiǎn)單。

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)由以下部分構(gòu)成：Web版微信作為外網(wǎng)登錄獲取并控制內(nèi)網(wǎng)信息、BBB開(kāi)發(fā)板作為中央處理器（相當(dāng)于PC機(jī)）、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的ZigBee協(xié)調(diào)器以及連接著多個(gè)傳感器的終端設(shè)備。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 BeagleBone Black處理器

系統(tǒng)的中央處理器是BeagleBone Black，通常稱為BBB，這是一塊面向Maker設(shè)計(jì)的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)板，內(nèi)部采用ARM Cortex-A系列核心的TI處理器。在本系統(tǒng)中，該處理器的作用類似“大腦”，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、指令轉(zhuǎn)發(fā)等一系列工作。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備設(shè)計(jì)

ZigBee 模塊是組建家庭內(nèi)網(wǎng)的基本單元。通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器無(wú)線接收的各個(gè)終端數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給BBB，ZigBee終端設(shè)備則用于直接接收各類傳感器的信息并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。通過(guò)ZigBee模塊把家庭內(nèi)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee模塊芯片采用CC2530，通過(guò)ZigBee協(xié)議棧，為ZigBee通信提供一個(gè)完美的解決方案。終端與各類傳感器的連接如圖2所示。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一共需要兩種不同幅值的電壓輸入，分別是直流5 V和直流3.3 V。其中，5 V電壓是由手機(jī)電源適配器提供，3.3 V由5 V變換得到。系統(tǒng)中需要采用3.3 V電壓給ZigBee芯片、溫濕度傳感器、光敏傳感器模塊供電，沒(méi)有較大的電流需求，只要求電源電壓的紋波較低，故本系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓電源模塊，通過(guò)5 V電源降壓得到3.3 V電源。LM1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，它可以實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V電源的轉(zhuǎn)換。3.3V直流電源設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用BBB開(kāi)發(fā)板，以Z-Stack作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，微信作為外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的通信方式。

3.1 ZigBee組網(wǎng)

系統(tǒng)使用IAR systems公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，IAR Embedded Workbench 是一個(gè)用于編譯和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境， 支持 C/C++語(yǔ)言。系統(tǒng)使用TI公司的ZigBee協(xié)議棧， ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)稱為OSAL（Operation system Abstraction Layer）的操作系統(tǒng)上，OSAL基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制， 其工作原理為：將每個(gè)事件都設(shè)置一個(gè)事件號(hào)，根據(jù)事件號(hào)的優(yōu)先級(jí)，輪換查詢事件是否被觸發(fā)，當(dāng)事件被觸發(fā)，調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備類型，即Coordinator（協(xié)調(diào)器），Router（路由），End-Device（終端）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由和多個(gè)終端組成，將相應(yīng)的程序燒錄到不同的設(shè)備上，上電后自動(dòng)組網(wǎng)。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備在組網(wǎng)時(shí)會(huì)自動(dòng)分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)16位的MAC地址，協(xié)調(diào)器發(fā)送命令數(shù)據(jù)采用點(diǎn)播的方式在外網(wǎng)Web版微信登錄后，發(fā)送一個(gè)指令，BBB接收后通過(guò)串口的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，之后再轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器的工作原理流程如圖4所示。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)用于收集各類傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)協(xié)調(diào)器下達(dá)命令時(shí)，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)將指令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的傳感器，從而達(dá)到控制家庭設(shè)備的目的。終端節(jié)點(diǎn)使用一塊電池供電，其工作流程如圖5所示。

3.4 Web版微信登錄原理

由于本文外網(wǎng)設(shè)計(jì)是通過(guò) Web版微信登錄控制內(nèi)網(wǎng)的設(shè)備，所以Web版微信登錄機(jī)制也是軟件設(shè)計(jì)的重要部分。當(dāng)用戶請(qǐng)求登錄Web版微信時(shí)，微信服務(wù)器返回一個(gè)會(huì)話ID，生成一個(gè)隨機(jī)的二維碼，通過(guò)掃描二維碼來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前的登錄，微信服務(wù)器輪回查詢用戶手機(jī)端是否已經(jīng)掃描二維碼并確認(rèn)在Web端登錄。微信服務(wù)器訪問(wèn)登錄地址并獲取uin、sid、pass_ticket、skey，在后續(xù)通信的過(guò)程中都會(huì)使用到這幾個(gè)值。登錄完成后，服務(wù)器通過(guò)返回給用戶的會(huì)話ID對(duì)用戶進(jìn)行微信好友以及公眾號(hào)的信息同步，不斷查詢是否有消息接收。當(dāng)接受到一個(gè)消息之后，在數(shù)據(jù)庫(kù)里查詢是否有相關(guān)的指令回復(fù)，并向發(fā)消息的用戶回復(fù)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信息。Web版微信登錄具體流程如圖6所示。

4 智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能測(cè)試

外網(wǎng)登錄Web版微信后，就可以與內(nèi)網(wǎng)通信。

圖7所示為當(dāng)發(fā)送一個(gè)字符時(shí)，系統(tǒng)做出回應(yīng)，默認(rèn)“.”為起始指令，用戶發(fā)送”.”，查看是否登錄成功。

“.all initial”指令用來(lái)初始化內(nèi)網(wǎng)信息，命令協(xié)調(diào)器更新網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，如圖8所示。

“.all status”命令用以查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，返回各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)包含的傳感器的信息，如圖9所示。

圖10所示為終端節(jié)點(diǎn)重命名功能圖，用于對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的重命名，重命名成功后返回成功信息。

通過(guò)微信端發(fā)送的指令，可以人為地改變?cè)O(shè)備的狀態(tài)，待后臺(tái)回復(fù)消息后，更新設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)也可以查詢各終端節(jié)點(diǎn)的信息，如圖11所示。

輸入相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)名字與設(shè)備名稱，返回該傳感器測(cè)量到的數(shù)值，如圖12所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要對(duì)現(xiàn)存的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)節(jié)展示，搭建了一個(gè)微型的智能家居平臺(tái)，并且運(yùn)用外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的連接達(dá)成了用戶對(duì)家居的總體控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定，各傳感器工作正常，并且能順利實(shí)現(xiàn)用戶命令的效果。同時(shí)，使用Web版微信登錄方式，不僅移植性強(qiáng)，相比于公眾號(hào)也更方便、安全、快捷，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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