智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍巍

摘要：隨著人們家居觀念的改變，智能家居成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。低成本、低功耗、易于維護(hù)、穩(wěn)定性好的智能家居控制系統(tǒng)的研發(fā)和自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)領(lǐng)域有關(guān)。家庭聯(lián)網(wǎng)模式直接關(guān)系到智能家居控制系統(tǒng)的靈活性。本文結(jié)合ZigBee技術(shù)和iOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;智能家居;無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0153-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

智能家居網(wǎng)關(guān)最初是由工業(yè)論壇組織定義的。它表示一個(gè)集中式智能接口，該接口將外部網(wǎng)絡(luò)連接到家庭并連接家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上它是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單，智能，標(biāo)準(zhǔn)化和靈活的接口單元，能接收各種外網(wǎng)的通信信號(hào)，然后經(jīng)由家庭網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到各種家居設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭狀態(tài)和家居終端的交互操作，聯(lián)網(wǎng)和對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)是核心問(wèn)題。ZigBee技術(shù)是一種新型的短距離，低功耗，低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于家庭、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，是介于無(wú)線標(biāo)簽、藍(lán)牙之間的一種技術(shù)解決方案，具有自己的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，可以協(xié)調(diào)許多小型傳感器之間的信息傳輸。在未來(lái)，智能家居可用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來(lái)形成自己的網(wǎng)絡(luò)，所有智能家居設(shè)備均使用統(tǒng)一的通信協(xié)議連接到Internet，可以通過(guò)移動(dòng)電話和計(jì)算機(jī)監(jiān)控家庭中的各種設(shè)備，并真正實(shí)現(xiàn)家用電器的計(jì)算機(jī)化和聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)功耗更低，尺寸更小，價(jià)格更低的控制模式，使普通家庭可以購(gòu)買和使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)開(kāi)展對(duì)比分析，根據(jù)其發(fā)展趨勢(shì)制定相關(guān)的設(shè)計(jì)原則和規(guī)范，基于iOS平臺(tái)設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、路由器和家用電器網(wǎng)絡(luò)組成，智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架如圖1所示。

本次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

硬件：WiFi模塊采用的芯片是RT8800，ZigBee通信模塊選用CC2530單片機(jī)，構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于串行端口的數(shù)據(jù)交換[9]。智能家居的全部通信均由控制網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)。控制網(wǎng)關(guān)、手機(jī)等終端經(jīng)由WiFi接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息交互和遠(yuǎn)程控制。

軟件：將iOS作為終端系統(tǒng)，提供多功能控制界面，軟件設(shè)計(jì)包括界面、通信等部分的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供最切合用戶需求的控制軟件系統(tǒng)，使用戶可以通過(guò)控制軟件控制家庭中的電氣設(shè)備。

在家庭內(nèi)部，網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，煙霧、濕度、溫度等各種傳感器，傳感器等節(jié)點(diǎn)基于ZigBee CC2350模塊運(yùn)行[10]。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器通過(guò)ZigBee模塊將提供收集的設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送到智能控制網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算分析，并將分析結(jié)果反饋給移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)家庭環(huán)境狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制家用電器。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主處理器的選用

該系統(tǒng)主要作用是控制家用電器并提供報(bào)警功能，處理的數(shù)據(jù)量很小，考慮到成本，選取8051單片機(jī)作為主處理器，連接到主處理器的ZigBee芯片cc2430還集成了可以起到輔助處理作用的MCU。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)MCU，因此主處理器可以調(diào)整和處理簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)量信息功能，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2控制網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)重要組成部分，是家庭內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)之間的通信橋梁，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循低功耗、高可靠性、小尺寸、安全和易于系統(tǒng)升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，圖2為控制網(wǎng)關(guān)硬件框架。

在家庭外部，WiFi經(jīng)由RS232接口將家庭網(wǎng)絡(luò)接入本地?zé)o線LAN，以便遠(yuǎn)程控制家庭終端設(shè)備。智能家居控制網(wǎng)關(guān)通過(guò)Internet與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與家庭智能網(wǎng)關(guān)互聯(lián)以獲取有關(guān)家庭電器設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制家庭電氣設(shè)備。

控制網(wǎng)關(guān)通過(guò)串行端口與ZigBee模塊連接，進(jìn)行WIFI、ZigBee的信號(hào)轉(zhuǎn)換。WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。 ZigBee無(wú)線模塊提供傳感器數(shù)據(jù)以及進(jìn)行控制信號(hào)收發(fā)。

2.2.1 WiFi模塊設(shè)計(jì)

本文使用臺(tái)灣Ralink（Ralink）RT8800芯片提供WiFi信號(hào)。RT8800是基于802.11協(xié)議的高度集成的低成本SOC芯片，可輕松進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。RT8800共有兩個(gè)串行端口，DART Lite和DART Full。 RT8800的基本功能[11]：

1）高性能360MHz mips24kec CPU 核心處理器

2）USB 3.0主機(jī)/設(shè)備接口，5端口千兆交換機(jī)

3）傳輸速率可達(dá)15OMbps

4）兼容802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn)

5）集成2.4GHz射頻單元、802.11n基帶處理器

2.2.2 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

主要作用是為外網(wǎng)和家庭內(nèi)網(wǎng)之間的交互提供通信接口。智能家居系統(tǒng)使用ZigBee來(lái)完成家庭聯(lián)網(wǎng)，選用的硬件是CC2530，為每個(gè)設(shè)備系統(tǒng)配置相應(yīng)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連[12]。ZigBee無(wú)線模塊節(jié)點(diǎn)包含主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊可以實(shí)時(shí)收集節(jié)點(diǎn)信息，并將其發(fā)送到每個(gè)主節(jié)點(diǎn)，或者從系統(tǒng)接收控制命令完成終端設(shè)備操作。ZigBee協(xié)調(diào)器基于一個(gè)串行端口，用于在數(shù)據(jù)級(jí)別與主控制器進(jìn)行交互。圖3顯示了ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括設(shè)備地址識(shí)別模塊、無(wú)線收發(fā)器、模擬無(wú)線模塊、數(shù)據(jù)包過(guò)濾模塊。CC2530的獨(dú)特設(shè)計(jì)質(zhì)量非常出色，可提供非常高質(zhì)量的通信鏈路，出色的接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力，CC2530能夠采集多種數(shù)據(jù)，如濕度、溫度等。

2.2.3串口模塊設(shè)計(jì)