基于ZigBee網絡的智能家居監控系統設計與實現

摘 要：將ZigBee無線自組織網絡運用于智能家居中，可以實現對家居環境安全性、舒適性、便捷性的有效提升。運用相應配套的智能終端布局在家庭不同功能的房間中，將采集的數據無線傳輸給智能網關，再通過家庭路由器實現手機對家庭狀況的監控。本文詳細介紹了整個系統的軟硬件設計方法，經過調試驗證，該系統運行效果可靠，實用性強。

關鍵詞：智能家居；無線自組織網絡；嵌入式網關

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）12-0193-03

Design and Implementation of Smart Home Monitoring System Based on ZigBee Network

LU Xinyun，LU Songyu，ZHAO Jiacheng，YANG Li

（Industrial Center，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

Abstract：The application of ZigBee wireless ad hoc network in smart home can effectively enhance the safety，comfort and convenience of home environment. With the corresponding intelligent terminal installed in the room of different functions，the collected data is transmitted wirelessly to the intelligent gateway，and then the mobile phone is used to monitor the family status through the home router. This paper introduces the software and hardware design method of the whole system in detail. After debugging，the system is proved to be reliable and practical.

Keywords：smart home；wireless ad hoc network；embedded gateway

0 引 言

創造健康舒適的家居環境源于人們對幸福生活的追求。隨著我國經濟的高速發展，人們的生活水平和居住環境有了質的飛越，各種生活配套設施與家電設備也愈加豐富。然而，為了保障人們安全使用各種設備、提高能效，改善居家生活的舒適性、便捷性，就需要構建基于物聯網技術的智能家居系統。目前的家庭控制網絡還缺乏統一的通信標準和互操作協議。在眾多的技術和標準中，最受關注的是家庭現場總線技術和短距離低速率無線網絡技術。由于無線通信方式減去了布線的工作，靈活性強，用戶體驗良好，所以，在可替代的情況下逐漸成為家庭控制網絡的理想通信方案。

目前，基于短距離低速率的無線通信技術主要包括：紅外、無線射頻、藍牙、WiFi和ZigBee等。各種技術和標準都有自身的優缺點，且相互間并不兼容，其中ZigBee無線網絡自組網能力強、能耗低、支持網絡拓撲結構動態變化，成本低廉，并且有IEEE 802.15.4工作組和ZigBee聯盟制定了完善的協議規范，所以，盡管ZigBee通信具有低數據傳輸速率以及實時性不夠的缺點，但是它在控制家居電器照明和采集環境信息中得到了廣泛的應用。

1 系統結構

整個智能家居監控系統主要包括：嵌入式網關、客廳終端、臥室終端、廚房終端、智能窗簾終端、基于Android系統的手機應用APP，PC機端應用監控軟件等七大部分構成。項目整體框架如圖1所示。

客廳終端、廚房終端、臥式終端以及智能窗簾控制器通過ZigBee網絡與嵌入式網關相連。嵌入式網關將匯聚的信息經過數據融合通過串口與PC機通信。通過PC機端的應用監控軟件可以實時地了解家庭環境的相關狀況。嵌入式網關通過WiFi通信模塊與家庭路由器建立連接。用戶可以通過手機APP與路由器建立連接來隨時獲取家居情況，并對家庭的相關設施進行控制。

2 系統設計與實現

2.1 嵌入式網關

嵌入式網關是整個智能家居系統的核心，它負責網絡的組網，數據的匯集、存儲及融合，當前狀態的液晶顯示以及與PC機、手機建立通信。嵌入式網關核心處理器采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，通過CC2530 ZigBee芯片作為短距離網絡通信模塊，將嵌入式網關與手機之間通過WiFi模塊建立連接，PC機與嵌入式網關之間通過串口相連，并通過SD卡記錄歷史數據。在網關上搭載了一款型號為GLM-70W-C的PS-LCD，該款液晶可以通過RS232、485或CAN總線與網關主控芯片建立連接，人機界面采用組態式界面開發，所見即所得的開發方式讓系統的設計有很強的擴展性。網關中采用型號為ESP8266-12F的WiFi模塊，并將WiFi模式設置為SoftAP+station模式。

CC2530是TI公司推出的一款完全支持ZigBee 2007 PRO協議的單片機[1]，它片內集成了RF收發器和一個增強型的8051內核，芯片內可編程閃存最高可達256KB，完全滿足了絕大多數應用的需求。TI公司同時也推出了相應的協議棧Z-Stack。在該協議棧內部植入了一個基于事件驅動的輪詢式操作系統OSAL，能很好的響應系統關聯的觸發事件。網關中的CC2530在ZigBee網絡中是一個協調器的角色，它將匯聚的數據通過串口傳輸給核心處理器STM32F103ZET6芯片，該芯片還有另外兩個串口，一個用于將數據傳輸給WiFi模塊，另外一個與PC機建立通信，從而滿足系統的要求。

2.2 客廳終端

客廳終端由CC2530Zigbee通信模塊、溫度采集模塊、光照采集模塊、人體紅外感應模塊、呼吸燈模塊、USB接口通信模塊、工頻電轉5V電源模塊構成。

終端中應用光敏電阻、人體紅外感應模塊和LED燈組成智能小夜燈。在利用光敏電阻感測夜間情況的同時，如果人體紅外感應到人體活動存在則控制器點亮LED，起到微弱的照明作用，當人的活動停止重新進入睡眠則LED自動熄滅。這種人性化的設計給人們夜間的小活動帶來便捷。客廳終端也會將采集的溫度、光照、人體活動信息上傳至網關，通過網關的人機界面可以設置一個具體時間段，如果在此期間接收到有人體活動信息則啟動報警裝置，這樣就實現了通過人體紅外來監測是否有外來入侵者的功能，從而對居家的安全性提供了保障。終端中CC2530既是與網關進行網絡通信的媒介，同時也作為控制其他模塊的處理器，并且在終端上添加了CH340G與USB接口用來實現與PC機之間的串口通信。

為方便安裝將終端硬件電路設計成符合86型開關盒大小，使用IRM-01-5交流220V轉5V電源模塊為終端供電，該電源模塊最大能出200mA的電流，足夠整個終端的用電需求。

2.3 廚房終端

廚房終端由CC2530Zigbee通信模塊、溫度采集模塊、煙霧傳感器模塊、USB接口通信模塊、工頻電轉5V電源模塊構成。

因為廚房是最有可能發生火災和煤氣泄漏的場所，所以廚房終端的主要作用是運用MQ-5傳感模塊對煙霧濃度進行監測，從而對發生的狀況作出相應的決策。該模塊可以對液化氣，天然氣、煤氣進行監測，具有TTL數字量輸出和電壓模擬量輸出兩種模式，可以通過調節電位器改變傳感器的靈敏度。當CC2530收到煙霧濃度超出設定的閾值，即刻給繼電器線圈觸發信號，使得繼電器的常閉觸點斷開，切斷交流接觸器的線圈供電回路，從而使交流接觸器主觸點斷開，切斷家庭內部對空氣開關的供電，避免較大事故發生。廚房終端實現檢測燃氣泄漏切斷供電的核心電路如圖2所示。

2.4 智能窗簾終端

智能窗簾終端主要由CC2530Zigbee通信模塊、光照采集模塊、震動傳感器模塊、步進電機控制模塊、工頻電轉5V電源模塊構成。

光照采集模塊使用普通的光敏電阻來感測環境光線的強弱，從而控制窗戶以及窗簾的開合。在使用的過程中用戶需要設定控制開合的光線強度閾值以及控制模式。震動傳感器采用壓電片型并將其吸附在窗戶玻璃的某一區域，當有外來入侵者破壞窗戶或者較大的風引起窗戶震動，或者是極端情況下地震的前兆造成窗戶震動時，控制器接收到震動信號控制關閉窗戶，并將震動狀況發送給網關，網關通過GSM模塊給用戶發送報警信息，同時用戶的APP也會通過WiFi接收到的報警信號，啟動報警鈴聲。窗簾驅動步進電機采用A4988芯片，窗戶開合的步進電機采用THB6128芯片。

運行程序在Z-Stack協議棧的基礎上進行修改，在事件處理輪詢函數中嵌入按鍵輸入事件查詢、接收到新數據事件、設備狀態發生改變事件。由于窗戶震動的信息可能非常短暫，同時也有可能是外來侵入者或地震信號，因此，把震動信號放入端口中斷事件中進行處理。

2.5 手機端應用軟件設計

基于Android操作系統開發了手機端的智能家居監控軟件。該應用軟件通過手機的WiFi模塊與路由器建立連接。一方面接收網關發過來的各個智能終端采集的數據信息，為每個終端設置了一個獨立的信息顯示界面；另一方面可以通過手機端發出控制信息實現對家中相應執行機構的控制。如：實現窗戶的開合，供電的通斷等。

3 系統測試

將整個系統的網關和智能終端布置在房間中相應的位置，先對路由器上電，然后依次打開網關和智能終端，最后打開手機APP登錄路由器給它分配的固定的IP地址。

在網關的人機界面上設定好客廳終端檢測到人體活動的報警時間段。在報警時間段內檢測到了人的存在，則蜂鳴器鳴叫，并將信息發送至手機，手機端APP也將啟動報警的聲音。用手掩蓋住客廳終端對外的光敏電阻模擬夜晚到來，終端外部的LED燈被點亮。

用打火機在廚房終端附近模擬燃氣泄漏狀況，終端蜂鳴器即刻啟動報警，并且將報警信息發送至手機APP。在廚房終端報警的同時觸發固態繼電器動作，斷開對供電交流接觸器線圈的供電，從而達到了切斷強電線路，謹防重大災害發生。

將窗簾終端控制模式設定為手動模式，通過按鍵能實現窗簾的打開與閉合。也可以通過手機按鍵來控制窗簾的動作。將控制模式設定為自動正模式，當夜晚來臨窗簾自動閉合，白天到來窗簾自動啟開。將控制模式設定為自動負模式，當夜晚來臨窗簾自動打開，白天到來窗簾自動閉合。在自動模式下，窗簾的運行將不受手機控制。

經測試證明該系統各項功能運行正常。

4 結 論

基于物聯網技術的智能家居系統是未來智慧家庭的必然發展趨勢[2]。文中提出的基于ZigBee網絡與WiFi通信的智能家居系統架構具有安裝靈活方便、穩定性好、可擴展性強等優點，所配套設計的智能終端能夠從安全性、便捷性、舒適性來改善家居生活，在智能家居領域有一定的使用價值。

參考文獻：

[1] 王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現 [M].北京：化學工業出版社，2012.

[2] 姜仲，劉丹.ZigBee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網技術 [M].北京：清華大學出版社，2014.

[3] 蔣挺，趙成林.ZigBee紫蜂技術及其應用 [M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

作者簡介：陸欣云（1981.08-），男，漢族，江蘇南京人，碩士，講師。研究方向：無線自組織網絡。