基于ZigBee、WiFi無線傳感網絡的智能家居環境監測系統的研究與實現

蔣昌茂，劉洪林，梁潤華

（1.桂林師范高等專科學校 廣西 桂林 541001；2.桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

基于ZigBee、WiFi無線傳感網絡的智能家居環境監測系統的研究與實現

蔣昌茂1，劉洪林2，梁潤華3

（1.桂林師范高等專科學校 廣西 桂林 541001；2.桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

隨著物聯網技術的興起，家居智能化蓬勃發展，許多手機、路由器、電視等電子電器廠商紛紛推出智能家居產品，但家居環境監測方面的產品不多。利用ZigBee、WiFi無線傳輸技術和傳感器技術，通過微控制器組建了一個監測系統，以實現家居環境檢測的遠程及自動化控制。方案采用MSP430主控芯片，超低功耗、低成本，支持大量監測節點和多種網絡拓撲，適應性強，大大降低了系統的復雜度，實現了快速響應，增強了系統運行的可靠性和安全性等。

智能家居環境監測；ZigBee；WiFi；MSP430；傳感器

隨著無線網絡技術的快速發展，物聯網在人們生活中的應用越來越廣泛，特別是在智能家居方面，而且許多手機、路由器、電視等智能電器廠商也紛紛推出了相關產品。但是，智能家居作為一個龐大的系統，所涉及到的內容非常廣泛。鑒于目前家居環境監測方面的產品很少，本設計利用ZigBee、WiFi兩種無線傳輸技術和傳感器技術，通過微控制器實現了一個遠程自動控制的家居環境監測系統。

1 設計思想及網絡架構

1.1 設計思想

本方案的智能家居環境檢測系統主要包括以下3個部分，即PC上位機監測部分、數據傳輸部分、數據采集部分。上位機監測界面用Visual Basic設計，為用戶提供直觀的數據；數據傳輸用基于IEEE802.15.4的ZigBee無線傳輸和基于IEEE 802.11的WiFi無線傳輸互相配合實現；數據采集部分采用TI公司的MSP430超低功耗MCU作為主控芯片，選用DHT11溫、濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器、人體紅外熱釋電傳感器等采集環境數據。本方案通過ZigBee、WiFi兩種無線傳輸技術互相配合進行數據傳輸。ZigBee具有低功耗、低速率、支持多節點和多種網絡拓撲的優點，還具有低復雜度、低成本、安全、穩定、可靠等通信特色，在數據流量比較小的傳感器和自動化控制領域有很好的應用。WiFi傳輸速率快，覆蓋范圍比較廣，與路由器對接比較方便，但功耗比較高，可擴展的節點數量有限。對于傳輸傳感器采集的數據而言，其數據流量要求并不是很大，但傳感器節點的數量會比較多，如果全部采用WiFi傳輸，會在數據傳輸速率方面造成很大的浪費，且在節點數量擴展上產生瓶頸。所以，本方案數據采集運用ZigBee無線網絡；數據傳輸通過WiFi模塊與路由器配合實現數據轉發，建立無線通信；只要做一個數據轉發端口實現ZigBee和WiFi網絡的互相轉發，便可以充分發揮各自優勢，只要PC或者移動手機等遠程終端能連接到該路由器上，便可以讀取和操作采集數據，實現家居環境檢測的遠程及自動控制。

1.2 網絡架構

本方案網絡架構如圖1，包括無線傳感器網絡、本地網絡和遠程網絡三部分。

對于無線傳感器網絡部分，無線傳感器節點主要負責采集環境中的溫度、濕度、煙霧等數據，經ZigBee網絡傳遞給ZigBee-WiFi數據轉發端口的ZigBee協調器暫存。

對于本地網絡部分，主要通過ZigBee-WiFi數據轉發端口，將ZigBee網絡與WiFi網絡互聯，實現ZigBee協調器數據存儲轉發，本地的PC上位機和移動手機通過WiFi網絡連接到本地無線路由，獲取來自無線傳感網的采集數據信息。對于遠程網絡部分，遠程PC上位機和移動手機通過WiFi網絡連接到遠程端的無線路由，通過互聯網連接到本地路由，獲取無線傳感器網絡的數據。在移動手機端，也可以通過連接3G網絡基站，然后通過基站連接到互聯網訪問本地路由獲取無線傳感器網絡的數據。

2 硬件設計

本方案硬件設計的重點是本地的ZigBee無線傳感網絡和本地ZigBee-WiFi雙工通信的路由。這兩部分主要是由ZigBee無線傳輸技術組成的無線傳感器網絡，由WiFi模塊與本地無線路由器建立連接，然后通過PC上位機監測軟件訪問無線傳感器網絡的數據。

2.1 無線傳感器節點結構及主控芯片設計

如圖2所示，無線傳感器節點包括電源轉換部分，它為傳感器、主控芯片和ZigBee模塊提供合適的電源。主控芯片為MSP430系列超低功耗微控制器，微控制器讀取溫、濕度傳感器的數據，判斷紅外熱釋電傳感器、煙霧傳感器等傳感器工作態并采集其數據。該過程通過ZigBee無線模塊進行（無線傳感器—MSP430 MCU）數據通信，而這里引出的I/O接口是為了方便連接更多的外設。

圖1 監測系統無線傳感網絡總體架構

圖2 監測系統無線傳感器節點基本架構框圖

2.2 ZigBee-WiFi數據轉發端口結構及主控芯片設計

如圖3所示，數據轉發端口主要由MSP430微控制器、1個ZigBee無線模塊和1個WiFi無線模塊組成，其中，ZigBee無線模塊為ZigBee網絡的協調器，MSP430微控制器通過2個串口分別與ZigBee無線模塊和WiFi無線模塊連接，透傳ZigBee網絡和WiFi網絡的數據。

圖3 ZigBee-WiFi數據轉發端口結構框圖

3 軟件設計

3.1 無線傳感器數據采集節點程序設計

根據方案要求，無線傳感器信息節點采集到環境數據后，主動向ZigBee協調器發送數據，具體程序流程如圖4所示。

圖4 無線傳感器節點程序流程圖

系統上電復位初始化，將看門狗關閉，將系統主時鐘（MCLK）和次主時鐘（SMCLK）選擇為內部的DOC振蕩器（FSC＝1 MHz），在完成ZigBee-WiFi數據轉發等端口初始化后，配置好串口并進入停等周期。MQ-2煙霧傳感器上電需要短暫預熱，不能馬上正常檢測煙霧。因為預熱周期檢測端的阻抗相對比較小，會有觸發報警器誤報的情況，所以，程序執行需要一定的停等周期，以便于屏蔽預熱期間的煙霧報警器。

當煙霧傳感器進入正常工作態，定時器T0_A0開始進行500 ms計時中斷，微控制器處于低功耗空閑模式。定時器每隔500 ms對微控制器進行中斷喚醒，讀取紅外熱釋電傳感器對人體感應和煙霧傳感器對煙霧狀態的采集數據，另設置2.5 s定時讓MSP430周期性讀取溫、濕度傳感器采集的數據，喚醒并等待ZigBee無線模塊建立網絡連接后，LED指示燈點亮，采集信息節點的數據通過串口發送給ZigBee模塊，最后通過ZigBee網絡傳輸到ZigBee協調器暫存。

3.2 ZigBee-WiFi數據轉發端口程序設計

本方案沒有用到更多的數據預處理功能，僅使用透傳功能直接進行數據的轉發。由于MSP430F149芯片配置了2個UART，完美的雙串口處理能力非常強大，程序設計上變得非常簡單。具體程序流程如圖5所示。

上電復位，系統初始化后，看門狗關閉，配置P3并口P3.4、P3.5和P3.6、P3.7引腳第二功能即串口功能，另配置雙串口的波特率為115 200 MHz。讓微處理器進入休眠狀態，并開啟串口中斷功能，不管來自哪個網絡的數據，每收到一幀數據都會發生一次中斷，將數據轉發至另一個網絡中。在設計中，2個串口模塊使用的是相同的波特率，因此，在數據配置上是相等的。如果2個串口模塊使用的波特率不一樣，則需要分別計算，并根據計算得到的數值配置。

圖5 ZigBee-WiFi數據轉發端口程序流程圖

圖6 上位機VB監測界面

3.3 上位機監測界面的設計

上位機主要負責顯示當前環境的各種狀態和溫濕度數據，本設計使用Visual Basic語言編寫設計上位機監測界面。編程的關鍵是對VB中的Winsock控件的合理利用，這也讓編程實現變得相對簡單。

利用Winsock控件的理由是，它提供了訪問TCP和TDP等網絡服務的便捷途徑。當利用它編寫網絡程序時，不必了解TCP等協議的細節或調用低級的WinsockAPI函數，只需通過設置控件的屬性并調用其方法就可以輕松連接到1臺遠程上位機器上進行會話和數據傳輸。具體工作原理是：服務器不間斷地偵聽客戶端的請求程序，客戶端有需要則向服務器端發送請求連接，當兩者協議一致，握手成功，服務器端與客戶端的連接建立。客戶端可以持續請求或發送或接收數據，服務器端則對這些進程給予響應。所以，本系統需要將WiFi模塊設置成服務器模式，協議類型設置為TCP協議進行連接訪問控制。那么，對上位機監測界面的設計，只要在VB中調用Winsock控件，配置好Winsock控件使用TCP協議，然后在文本窗口輸入IP和相應連接端口號，上位機便可與WiFi模塊建立連接，接收并處理來自ZigBee網絡的環境數據。如圖6所示，連接成功后，上位機監測界面顯示的檢測數據2.5 s更新一次。

3.4 實現遠程監測的路由器設置

為了滿足無人值守、遠程監測的要求，本方案只需通過配置路由器DDNS參數和IP端口轉發映射即可實現，具體做法是：①配置好路由器的DDNS，將路由器的動態域名配置成runhua.jios.org。②配置端口轉發功能，將WiFi模塊的IP 192.168.199.246和端口號50000映射到路由器的IP和1990號端口。配置好后，在遠程端便可以使用TCP協議，通過域名runhua.jios.org和端口1990連接到路由內部的WiFi模塊，從而接收ZigBee網絡的數據。路由器的DDNS和端口轉發功能的配置需要進入路由器后臺的設置界面分別設置。DDNS參數配置如圖7所示，端口轉發功能如圖8所示。

圖7DDNS參數配置

圖8 端口轉發功能配置

4 測試及實現

本方案經過不間斷測試，結合測試中出現的各種狀況，一步一步地改進和調試，達到了預期的效果，圖6為連續24 h的VB監測界面。利用無線傳感器網絡，可以采集記錄每個傳感節點的數據。接下來的研究將進一步挖掘MSP430主控芯片強大的功能，使執行器對環境檢測結果做出響應，真正實現智能家居自動化控制。所以，本設計預留了很多插針，為往后進行更深入的研究和開發做準備。

［1］陳莉.基于ZigBee協議的環境監測無線傳感器網絡測量節點的設計［D］.上海：上海交通大學，2008.

［2］劉光.基于ZigBee與以太網的智能家居系統設計［D］.大連：大連理工大學，2012．

［3］仲偉波，王婷婷，張澤武.基于ZigBee與WiFi的環境智能傳感系統研制［J］.農機化研究，2012（12）：186-189.

［4］姜新華，張麗娜.基于ZigBee與WiFi相結合的溫室環境監測系統設計［J］.內蒙古大學學報，2011，42（6）：699-702.

［5］Wail M，Yaser K，Reem J，et al.Interference Problem between ZigBee and WiFi［J］.2012 IACSIT Hong Kong Conferences，2012（30）：133-138.

［6］Zhang Lihong，Sun Lei，Zhao Jinchuan，et al.An environment parameters monitoring system of large-scale henhouse based on ZigBee technology［J］.2010 4th International Conference on Intelligent Information TechnologyApplication，65-68.

TP273.5；TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.045

2095－6835（2018）01－0045－04

蔣昌茂（1971—），男，廣西桂林人，高級工程師，碩士，研究方向為IP通信及物聯網應用。劉洪林（1967—），男，廣西桂林人，教授級高級工程師，學士，研究方向為多媒體技術、網絡通信和新型硬件電路設計應用。

〔編輯：白潔〕