基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現

荀艷麗 焦庫 張秦菲

摘 ?要： 采用GPRS和ZigBee技術實現物聯網智能家居系統。該系統通過高性能處理和PAN Coordinator網絡協調器，家電傳感器構建ZigBee智能家居控制系統，并通過GPRS無線收發系統實現與遠程手機終端通信。給出系統設計架構及軟硬件實現方法，包括網絡拓撲，關鍵處理流程等。通過實際測試驗證該系統能夠滿足智能家居的遠程監控需求，使整個系統真正脫離用戶操作實現智能控制，降低信令交互。

關鍵詞： 物聯網; 智能家居; 控制系統設計; 家電傳感器; GPRS; ZigBee

中圖分類號： TN915.5?34 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0074?03

Abstract： A smart home system based on Internet of Things （IoT） was implemented by using the GPRS and ZigBee technologies. The ZigBee?based smart home control system is established by means of high?performance processing， PAN Coordinator network coordinator， and home appliance sensor. The communication between the system and remote mobile phone terminal is realized by using the GPRS wireless transceiver system. The design architecture， hardware and software realization methods of the system are presented， including network topology and key processing procedure. The actual test verified that the system can meet the remote monitoring demand of smart home， make the whole system truly independent of user operation， achieve smart control， and reduce signaling interaction.

Keywords： IoT; smart home; control system design; home appliance sensor; GPRS; ZigBee

由于智能家居有極大的優點，因此隨著通信產業的發展，智能家居控制系統也得到了很好的發展。其中利用電話對智能家居進行遠程控制的技術也日益用于生活中，人們可以通過手機發送指令，就能對家中的電器進行操作與監控。

1 ?智能家居物聯網控制系統總體架構

1.1 ?ZigBee與GPRS網絡技術特點

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、短時延的大容量無線網絡技術。ZigBee采用的物理MAC層協議是IEEE 802.15.4，工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz三種工業科學醫療（ISM）頻段。其中，2.4 GHz頻段全球免費試用。ZigBee網絡組網方式豐富靈活，具有很強的動態自組織特性[1]。

GPRS網絡是2.5G移動通信系統，使用分組交換技術，其數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）采用CMNET接入，避免了申請固定IP帶來的繁瑣，只需要插入SIM卡就能方便地連接到Internet[2]。

1.2 ?系統架構設計

本模型采用ZigBee星形網絡結構，由于各節點距離較近，無需通過路由器擴展網絡覆蓋面，只需要協調器和各傳感器設備即可滿足網絡搭建。協調器負責發起和維護網絡，并轉發收集信息給高性能處理器（本模型用PC機替代）。高性能處理器根據智能處理算法對收集信息進行融合決策，并根據決策結果來向遠程手機終端發送請求信息，或向傳感器發送應對執行命令。

網絡拓撲圖如圖1所示。

網絡中各組件詳細描述如下：

1） 信息采集。通過傳感器將家電信息傳遞給ZigBee SoC 模塊。本模型采用最常見的CC2430芯片，該芯片集成了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。CC2430芯片最后將信息發送給PAN Coordinator網絡協調器。

2） PAN Coordinator網絡協調器負責組網和管理各智能家居傳感器。

PAN Coordinator協調器主要完成以下任務：分配網絡ID;發送、傳遞和結束信息。

3） 高性能處理器（PC機處理器）。高性能處理器是本設計方案的核心組件，負責整個系統的智能處理，是該模型的核心“大腦”。高性能處理器主要實現以下功能：采集信息的智能分析與處理;信息數據存儲與融合。

4） 無線收發系統。本設計通過無線收發系統完成與用戶手機終端間的通信，實現命令的傳遞及智能家居系統信息的應答反饋，采用GPRS芯片SIM900模塊實現無線收發。本設計借用短信收發功能，通過短信命令實現智能家居系統家電信息識別。

1.3 ?智能控制機制

智能控制核心是智能家居系統能夠實現更多的智能管理處理能力，減少用戶遠程操作交互。高性能處理器通過實現智能控制處理算法，實現智能家居系統的內部智能控制處理，從而能夠幫助用戶處理絕大多數任務和操作交互等。智能控制策略如下：異常處理第一要務是確保安全;操作記錄和異常告警可跟蹤;智能終端狀態實時監控。

1.3.1 ?異常處理

當高性能處理器接收到傳感器信息包含告警信息時，啟動異常保護操作。異常保護操作具體動作需要根據異常告警中反饋的傳感器網絡ID和告警編號進行相應處理。

1.3.2 ?操作記錄及異常告警查詢

操作記錄及異常告警可通過發送查詢命令獲取相關信息，相關信息都會在高性能處理器數據庫中存儲。

1） 手機端向智能管理系統發送查詢命令;

2） 智能管理系統收到判斷手機IMSI或MSISDN是否為配置信息，并判斷其操作權限;

3） 手機端信息判斷無誤后根據查詢命令判斷命令類型及相關參數進行相應操作，并繼續步驟5）操作;

4） 若手機端信息非配置信息或無查詢權限，智能管理系統拒絕該操作，并向手機端反饋無權限操作信息;

5） 智能管理系統查詢記錄信息，并做好操作日志記錄;

6） 智能管理系統根據查詢返回狀態向手機端發送查詢結果。

1.3.3 ?智能終端狀態監控

本系統可實現用戶對智能終端狀態實時監控功能，用戶通過發送查詢命令查看整個智能家居網絡內各家電終端的狀態情況，實現實時監控。也可以通過定期向用戶發送狀態信息更新消息，實現狀態信息的實時更新監控。因本系統聚焦邏輯能力實現，用戶體驗和更多優化方案暫未考慮，暫采取查詢詢問方式獲取監控信息。

2 ?系統硬件設計

本系統由外網和內網兩部分組成。外網由無線收發系統（GPRS數傳模塊）和高性能處理器組成，兩者之間可通過RS 232串口通信，無線收發系統（GPRS數傳模塊）采用SIM900模塊。該模塊通過AT指令控制，控制方法簡單，方便系統集成和軟件開發。

內網由高性能處理器（PC機）和PAN Coordinator網絡協調器、信息采集（智能家居傳感器）三部分組成。信息采集傳感器通過ZigBee無線模塊與PAN Coordinator網絡協調器進行通信。本模型選用TI公司生產的CC2430芯片設計ZigBee網絡節點，本模塊中各智能家居傳感器通過CC2430芯片發送和接收信息實現與PAN Coordinator網絡協調器通信。

3 ?系統軟件設計

在家電模擬控制中，要想通過串口與PC機連接的協調器向指定的設備發送控制指令，首先需要制定一套控制協議，以便協調器解析，所有的控制指令都是一串具有特性格式的字符串。控制指令如表1所示。

指令說明：

1） 設備編號（NUM）：表示指令的控制對象或指令要求的設備響應編號。

2） 指令類型（TYPE）：表示指令類型，包括SEARCH（查詢），CMD（命令）等。

3） 指令（ORDER）：表示指令的具體含義。例如：查詢指令下的MONITOR（監控），LOG（日志）等。

4） 說明（EXP）：對指令說明，在具體執行時沒有實際含義，用于編碼和測試，注釋性內容。

5） 附加信息（OTH）：保留字段，待用。

3.1 ?實時監控

實現對各家電終端狀態的實時監控，通過遠程手機終端向智能系統高性能處理器發送狀態查詢命令。

1） 遠程手機終端發送實時監控命令，命令格式為：

1：SERCH：MONITOR： ： 。

2） 高性能處理器接收請求命令，對命令進行解析，并根據解析后的命令類型和內容及設備編號等信息查詢對應設備實時狀態信息。

3） 高性能處理器將查詢到的設備狀態信息反饋給遠程手機終端。程序代碼如下：

void ZGManager_GetStatus（uint8 pan_id， String *status）

{

//Save PAN id

if（0 > pan_id）

return;

ZGPANid = pan_id;

status = ZGManager_GetDao（ZGPANid）;

//Get ID status from Database（table name is TBL_TERIDSTATUS）

return;

}

同時，家電終端也會在設備狀態發生變更時實時向高性能處理器發送狀態變更信息，通知高性能處理器及時刷新設備狀態信息。

3.2 ?異常告警

當家電設備出現異常場景時（如洗衣機缺水等），家電設備傳感器會及時向高性能處理器發送告警信息。高性能處理器根據預置的智能處理方案進行處理，同時向遠程手機終端發送異常告警信息。當高性能處理器完成相應智能處理方案處理后，根據處理結果知會遠程手機終端，讓用戶了解當前進展。程序代碼如下：

void ZGManager_AbnormalWarning（uint8 pan_id， uint8 type）

{

//Check Abnormal type

uint8 level = ZGManager_CheckWarningType（pan_id， type）;

//if level low 0， do nothing

if（0 > level）

return;

//update the status and recovery normal auto.

ZGManager_UpdateStatus（pan_id， "Warning"）;

ZGManager_Recovery（pan_id， type）;

//Send warning MSG to user when level over 3

if（3 < level）

ZGManager_SendMsg2Usr（pan_id，type，"Warning"）;

return;

}

4 ?系統軟件實現

本文系統主要包括終端管理、日志管理和配置管理三部分功能。智能管理系統通過操作界面實現家電終端狀態的實時監控，以及家電終端控制、異常恢復和歷史回放等功能。同時為了便于操作跟蹤等目的，添加了日志管理功能，實現操作日志的查詢和設置。為了實現終端的添加和刪除，連接配置以及系統登錄賬戶管理等功能，系統也設計了相應的配置管理功能，方便相關參數配置。智能家居控制管理系統主界面如圖2所示。

該系統家電終端通過模擬接入洗衣機、電冰箱和智能電視三個終端傳感器進行驗證。在實際測試過程中系統運行穩定，能夠準確檢測傳感器數據，實現家電智能開關控制與狀態反饋。通過異常場景模擬，能夠有效地實現智能異常處理。同時，關聯手機端也能及時收到異常告警和狀態變更消息，大大降低了人工干預力度，實現智能控制。

5 ?結 ?語

本文通過對ZigBee網絡分析，以GPRS無線收發模塊、高性能處理器、PAN Coordinator網絡協調器和CC2430芯片及傳感器設計開發智能家居控制系統，闡述了硬件框架設計及系統實現流程。本系統旨在打通邏輯實現，更多優化控制需要進一步實現。

參考文獻

[1] 尤曉明.基于ZigBee的智能家居系統的研究[D].西安：西安電子科技大學，2014.

YOU Xiaoming. Research on smart home system based on ZigBee [D]. Xian： Xidian University， 2014.

[2] 郭啟軍，張浩然，姜彬.基于GPRS的嵌入式無線數據傳輸終端的設計[J].計算機系統應用，2008，17（12）：69?72.

GUO Qijun， ZHANG Haoran， JIANG Bin. Design of embedded wireless data transmission unit based on general packet radio service [J]. Computer systems & applications， 2008， 17（12）： 69?72.

[3] 翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

ZHAI Lei， LIU Shengde， HU Xianbin. ZigBee technology and application [M]. Beijing： Beihang University Press， 2007.

[4] 楊松，胡國榮，徐沛成.基于CC2530的ZigBee協議MAC層設計與實現[J].計算機工程與設計，2013，34（11）：3840?3844.

YANG Song， HU Guorong， XU Peicheng. Design and implementation of ZigBee protocol MAC layer based on CC2530 [J]. Computer engineering and design， 2013， 34（11）： 3840?3844.

[5] 郭穩濤，何怡剛.智能家居遠程監控系統的研究與設計[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2109?2112.

GUO Wentao， HE Yigang. Research and design of smart home remote monitoring system [J]. Computer measurement and control， 2011， 19（9）： 2109?2112.

[6] 張慧穎.基于物聯網的智能家居綜合系統設計[J].電子測試，2013（21）：25?27.

ZHANG Huiying. Design of smart home integrated system based on Internet of Things [J]. Electronic test， 2013（21）： 25?27.

[7] 鄧昀，程小輝.面向物聯網的智能家居系統設計[J].桂林理工大學學報，2012，32（2）：259?264.

DENG Yun， CHENG Xiaohui. Internet of Things oriented smart home system [J]. Journal of Guilin University of Technology， 2012， 32（2）： 259?264.

[8] 張宏偉.針對ZigBee無線傳感網絡的智能家居系統設計與應用[J].網絡安全技術與應用，2015（5）：115?116.

ZHANG Hongwei. Design and application of smart home system for ZigBee wireless sensor network [J]. Network security technology & application， 2015（5）： 115?116.

[9] 孫雯.基于ZigBee的物聯網智能家居系統研制[D].西安：西安電子科技大學，2011.

SUN Wen. Development of smart home system for IoT based on ZigBee [D]. Xian： Xidian University， 2011.