基于ZIGBEE和LORA的一種物聯網智能家居系統

鄭琪 王嘉博 柴鈺

摘要：以智能家居系統中的照明智能控制模塊、家用電器智能控制模塊、安防智能控制模塊和娛樂智能控制模塊為研究對象，采用ZIGBEE和LORA技術相結合的無線物聯網通信、控制系統，實現對智能家居系統的實時監測和控制。

關鍵詞：ZICBEE;LORA;智能家居系統;實時監測和控制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0038-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前，監控系統的數據傳輸方式主要有兩種：一種為有線傳輸，主要為通過RS232、RS485/422等串口通信協議傳輸，其特點為穩定性強、可靠性高、距離短、成本高;另一種為無線傳輸，主要為藍牙、WIFI、ZIGBEE等，現場的無線傳輸更加靈活，但距離較短、信號不穩定、功耗大。而基于長距離無線電LoRa（Long Range Radio）線性擴頻技術實現的數據通信，傳輸距離遠、穿透性強、抗十擾能力高、采用的窄帶傳輸，傳輸功率密度大、傳輸距離大大增加。

1 系統的總體設計

本文所述的基于ZIGBEE和LORA智能家居系統包括：對于一戶人家的各個房間里，照明智能控制模塊、家用電器智能控制模塊、安防智能控制模塊和娛樂智能控制模塊，每個房間設立若干個ZIGBEE終端節點，連接相關的傳感器和控制器，以實現對相關信號的采集、處理和控制;一戶人家設立一個ZIG-BEE協調器，一個ZIGBEE協調器與一個LORA終端節點集成在一起，一棟樓設置一個或多個LORA網關，多個LORA網關與服務器（或MCU）相連，多個小區設立一個服務器，服務器可通過因特網或蜂窩移動網與云端相連，客戶端可通過網頁或手機APP查看家居的情況并對家里的相關設備進行控制，重要的是可以及時得到家里某些意外的報警情況，及時進行處理，以免發生警情和一些災難的發生。本系統的總體結構框圖如圖1所示。

照明智能控制模塊包括：當人進入房間內（通過紅外熱釋電傳感器識別）啟動溫濕度、光照度監測。當室溫低于16度打開空調熱風、室溫高于26度打開空調冷風，當濕度低于某值打開加濕器，當光照度低于或高于一定值，拉開或拉上電動窗簾，根據光照度白動調節室內燈光明暗。如果當人離開某房間（房間內沒人時），該房間的空調、燈光、加濕器等關閉，當人進入另一個房間時，該房間內的空調、燈光、加濕器等根據情況自動開啟，并將人進入的信息發送到中央控制器，控制每個節點設備，中控電腦可接收信息顯示在觸摸屏上。

在客廳或大門人口有帶有觸摸屏的中央控制器，可以通過觸摸屏控制照明、家用電器、娛樂等模塊，可以查看安防模塊的歷史紀錄，也可以通過手機查看、遙控這些模塊。

家用電器帶有智能控制器，包括熱水器、電飯煲、電餅鐺、咖啡機等。

安防模塊包括門禁及室內監控（可遠程通過手機訪問、查看）。門禁為通過人臉識別打開門鎖，在各個房間內裝有攝像頭。一旦門鎖或攝像頭監控有異常進行報警（可向手機進行遠程報警）。

人一旦出大門后，所有模塊（除安防模塊）停止工作，拉上窗簾。

娛樂模塊包括多媒體、音響、電視等，都可以通過家電控制器、中央控制器或手機進行控制。

2 監測及控制電路

整個室內家居系統監測和控制主要使用TI公司帶有ZIG-BEE協議棧的CC2530芯片，綠色低功耗。

CC2530是針對ZigBee的真正片上系統優秀解決方案，整合了領先的2.4GHz IEEE 802.15.4兼容型CC2530射頻收發器及業界標準的32MHz、單周期、低功耗增強型8051微控制器核心的卓越性能，四種靈活的功率模式，用于降低功耗，一個IEEE802.15.4MAC計時器，一個通用16位計時器及兩個8位計時器，具有對數字接收信號強度指示（RSSI）/鏈路質量指示（LQI）的支持，硬件AES加密引擎，具有32/64/128/256kBvte系統內置可編程閃存、8kB RAM以及眾多的其他強大特性。卓越的選擇性及帶阻性能，直接序列擴頻（DSSS）調制調解器的速度為2M chips/s，有效數據率為250kbps，封裝：QLP-48，RoHS標準兼容，7*/mm;極小的占位面積，硬件提供對微處理器負載降低（offload）的支持，同時兼顧IEEE 802.15.4及ZigBee應用的靈活解決方案，卓越的Bluetooth及WiFi共存性，僅需要極少量的外部元件。

光線探測傳感器CDS的光電池GL5537，可見光傳感器為藍敏光電二極管BS520，后者對光的波長而不是光的亮度敏感。CDS為照度傳感器，隨環境的光亮度而改變其電阻，亮的地方阻抗較低，是一種光電可變電阻器，隨曝光時間和光線變化決定照度指數伽馬（γ），阻抗范圍為200K-IOKQ，靈敏度為400（紫色）-600nm（橙色），在520nm（綠色）下表現出最大值。γ=log（Rmax/Rmin ）/log（ Lmax/Lmin）。RE200B PIR傳感器是（NIP-PON Ceramics公司出產）人體探測傳感器，檢測范圍X軸大于138度，Y軸125度，工作電壓3-10V DC，產生至少2.5V的模擬電壓輸出，典型值為4V。光線探測傳感器CDS、可見光傳感器BS520、熱釋電效應PIR傳感器等監測值經處理后與CC2530的10口相連，運用通過CC2530的一個10腳連接DHTlI的數據輸出端口監測溫濕度。彈簧開關用于檢測門或窗戶這些容易進入的人口是否被入侵者打開或關閉。這個開關是密封在充滿惰性氣體的玻璃管內的磁簧接觸片。當得到通過線圈的電流，更多的電流在磁簧片中，由磁吸引力引起簧片閉合。彈簧開關為H.K.的Industry的KR2S，該模塊的操作無須電源供電，通常位于打開的位置，該SMD類型的開關操作不管電磁極性。數字門鎖型號MI-2100。燃氣閥門的控制是通過CC2530及相關組件和L289P操作直流電機打開或關閉閥門;通過CC2530對接線板的控制可以有效節約電力資源的浪費、調光板控制燈光的開關和強弱、電動窗簾、空調、加濕器、家用電器、多媒體、電視、音響、人臉識別、攝像頭、瓦斯偵測器、PM2.5檢測器、T6004傳感器電路（監測CO2含量）、MQ-2氣體煙霧傳感器（其電導率與被測量的濃度成正比）等用來監測和控制家居環境及設施。

各個房間內的傳感器和控制器的參數直接或通過處理接到ZIGBEE終端節點的CC2530芯片上，ZIGBEE終端節點通過ZIGBEE無線網絡接到該戶人家的ZIGBEE協調器，ZIGBEE協調器與LORA的終端節點相聯通，每戶帶有觸摸屏的中央控制單元與ZIGBEE協調器和LORA的終端節點相聯通，LORA的終端節點通過LORA無線網絡與LORA網關相聯通，可根據整棟樓的住戶數量設置一個或多個LORA網關，各個LORA網關與服務器（或MCU）相連，呈星形拓撲結構，多個小區設立一個服務器，服務器可通過因特網或蜂窩移動網與云端相連，客戶端可通過網頁或手機APP查看家里的情況并對相關設備進行控制，重要的是可以及時得到家里某些意外的預警及報警情況，立即進行處理，以免發生警情和一些災難的發生。

LORA終端節點的射頻芯片采用SEMTECH公司的SX1268，網關主要為主芯片SX1302結合射頻芯片SX1250，均為該公司最新推出的具有最佳性價比的適用于中國ISM頻段的產品。

在本系統中使用LORA技術的原因在于LORA技術是SEMTECH公司發布的基于IGHz以下的新型非授權頻譜，其特點為低功耗、超遠程、低成本、大的覆蓋范圍，針對物聯網應用，接收靈敏度為-148dBm，與業界其他先進的Sub-GHz芯片相比，靈敏度提高了20dB以上，確保了網絡連接的可靠性。不僅可以部署私有網絡，還可以部署公有網絡，采用自適應數據速率策略、線性擴頻調制技術、鏈路預算高達157dB，通訊距離可達15Km，網絡最大優化每個終端節點的通訊數據速率、輸出功率、帶寬和擴頻因子。LORA信號對于建筑物具有很好的穿透能力，這些技術更適應于低成本、大規模的物聯網部署。低功耗使得電池壽命延長、網絡容量增加。實現長距離連接時，終端節點和網關之間信息的交互可直接進行，更好地減少了網絡復雜性和能量損耗。

3 結語

本文所述的基于ZIGBEE和LORA的物聯網智能家居系統，在室內使用了ZIGBEE技術，該技術支持擴展、功能全面、使用靈活，可組成自組織、低功耗無線傳感網絡;在戶外使用LO-RA技術的LoRaWan低功耗廣域物聯網，將ZIGBEE技術和LO-RA技術有機地結合在一起，形成了業界相對新穎、優點突出的低功耗廣域物聯網實現的一種方式。盡可能給大家起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]劉亞秋.LoRa物聯網技術及應用[J].計算機產品與流通，2018，11（40）：40.

[2]康妍妍，宋廣軍.基于LoRa傳輸的農業大棚監測系統設計[J].自動化與儀表，2019，34（5）：23-26.

[3]錢蕾.基于WSN的智能家居環境監測系統設計[J].蘭州工業學院學報，2019，26（1）：76-83.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2020-02-21

作者簡介：鄭琪（1968-）.女，河南人，碩士，高工，研究方向：檢測技術、電工電子、嵌入式系統。