基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統設計

武一，包春蘭

（河北工業大學信息工程學院，天津 300401）

基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統設計

武一，包春蘭

（河北工業大學信息工程學院，天津 300401）

適應智能家居無線通信和遠程控制的需要，設計一種基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統．該系統采用ZigBee無線通信技術組建家庭內部的無線網絡，并通過GSM網絡實現用戶手機對智能家居的遠程控制．文章詳細闡述了系統的總體結構模型與工作原理，就系統的軟硬件特點，給出了整套系統的詳細設計方案；實驗表明該系統具有功耗低、可靠性高、易擴展、使用方便等優點，在智能家居系統中具有非常廣闊的應用空間．

ZigBee；GSM；智能家居;CC 2430；遠程控制；TC35i

智能家居網絡中的各類傳感器數據以及開關控制信號傳輸的數據量小，所以不需要太大的傳輸速率，但是要求網絡的容量大、可靠性高、低功耗．為了使智能家居走進千家萬戶，要求智能家居系統安裝簡單、使用方便，成本低、擴展性好．而傳統的智能家居系統采用有線組網，存在布線難、成本高、不易擴展等問題，已逐漸被無線組網方式取代．現有的短距離無線通信技術包括紅外技術、家庭無線電射頻技術、IEEE802.11技術、藍牙技術等，在家居環境下都存在著一定的局限性．ZigBee技術具有近距離、低功耗、低速率、低成本、高安全性等優點，滿足了智能家居低速率、低成本、低功耗、高可靠性等的要求．而能夠遠程控制家居的方案也多種多樣，如Internet、GSM、GPRS等，由于手機已經是人們不可或缺的必備通信工具，所以選擇GSM網絡實現智能家居的遠程控制，人們可以隨時隨地對家居內部進行監控．

本文設計了一種基于ZigBee和GSM的智能家居系統，該系統利用ZigBee技術組建家庭內部無線網絡，實現對家居環境的監測，如溫度、濕度、可燃氣體的報警信息等，保證了家居環境的適宜和安全；還有對電器設備等的開關控制，如電視、空調、熱水器等．并將家庭內部網絡與GSM網絡連接，實現智能家居的遠程通信．

1 系統結構模型

ZigBee網絡存在3種網絡拓撲結構：星型、樹形和網狀型，星型網絡簡潔、復雜度低，非常適用于家庭的小規模短距離無線傳輸系統[1]，所以本設計采用星型網絡結構．系統總體結構模型如圖1所示，包括ZigBee網絡協調器、各種功能的終端節點、LCD顯示模塊和GSM手機通信模塊．終端節點包括可燃性氣體報警信號采集節點、溫/濕度采集節點及各種控制節點．

系統總體功能主要包括家居環境信息檢測和家居設備的控制，并且用戶可以通過手機對家居環境進行監測和對家電的控制，環境信息如溫度、濕度、可燃性氣體報警信號等；家居設備如燈、電視、空調、熱水器等．

協調器是整個ZigBee網絡的核心，協調器負責啟動整個網絡，網絡啟動后允許終端節點加入網絡，并對終端節點進行管理，形成一個ZigBee網絡[2]．隨后協調器將作為智能家居系統的總控制器，傳感器節點將采集到的數據通過ZigBee網絡傳輸到協調器中，協調器將這些數據進行分析處理，將數據通過LCD顯示；若存在報警信號，則協調器通過GSM模塊向用戶手機發送報警信息．用戶可以通過手機或鍵盤發送控制命令給控制節點進行開關控制．

終端節點包含多個傳感器節點和控制節點．終端節點相當于ZigBee網絡的觸角，傳感器節點負責收集家居環境信息發送給協調器處理．可燃性氣體傳感器節點負責檢測家居環境中的可燃性氣體濃度是否超標，若超標，該節點一方面驅動蜂鳴器報警，一方面向協調器發送報警信號；溫濕度傳感器節點負責采集環境中的溫濕度數據，傳輸給協調器顯示且供用戶查詢．控制節點接受來自協調器的命令，對相關設備進行控制．每個傳感器節點都可以設置為睡眠模式[3]，在沒有數據采集、發送時進入休眠，節省功耗，延遲使用壽命．

圖1 系統的結構模型Fig.1 The structuremodelof system

2 系統硬件設計

智能家居系統ZigBee網絡使用無線龍出產的C51RF-3系列的無線模組．C51RF-3包含多個ZigBee模塊和網絡擴展板，擴展板中攜帶LCD、鍵盤、串口等相關電路．ZigBee模塊是協調器和終端節點的核心電路，采用TI公司的CC2430芯片，它在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器．擴展板和一個ZigBee模塊組成網絡協調器，由電源供電．這里重點介紹終端節點的電路設計．本設計中傳感器采用溫濕度傳感器DHT11、可燃性氣體傳感器MQ-5模塊．控制節點的采用繼電器電路．

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2.1 溫濕度傳感器節點的電路設計

溫濕度傳感器DHT11通過一根數據線DATA與CC2430芯片的P0.0連接，將采集到的溫濕度數據通過串行方式送至CC2430芯片．溫濕度傳感器節點電路圖如圖2所示．

2.2 可燃性氣體傳感器節點的電路設計

可燃性氣體傳感器MQ-5模塊中D0是數字開關輸出引腳，A0是模擬量輸出引腳．當氣體濃度超出閾值時，D0輸出低電平，A0輸出的電壓隨氣體的濃度逐漸增大．本設計將模塊的D0引腳與CC2430的P0.1引腳連接，檢測是否有低電平輸出，即檢測氣體濃度是否超出閾值．CC2430的P0.3引腳連接蜂鳴器電路，當氣體濃度超出閾值時，驅動蜂鳴器，達到報警的目的．可燃性氣體傳感器節點電路如圖3所示．

圖2 溫濕度傳感器節點電路Fig.2 The circuitdiagram of temperatureand humidity sensornode

圖3 可燃性氣體傳感器節點電路Fig.3 The circuitdiagram of combustible

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee網絡的軟件設計

ZigBee網絡的軟件設計選擇IAR開發環境，因為ZigBee協議棧是半開源代碼，所以本系統只需要在各個設備節點的ZigBee協議棧Z-stack2006的應用層中添加代碼，即可實現ZigBee網絡的建立和無線通信．

ZigBee設備類型有3種：協調器、路由器和終端節點．由于本設計中采用星型網絡，所以網絡中只存在一個協調器和多個終端節點，協議棧根據其設備類型選擇不同的網絡配置文件來啟動設備．終端節點只能和協調器節點進行通信．

3.1.1 協調器節點軟件設計

圖4 協調器節點流程圖Fig.4 The flow chartof coordinatornode

協調器是ZigBee網絡的核心同時也是智能家居系統的主控制器．協調器節點的程序流程如圖4所示．設備上電后，進行系統初始化操作，設備根據其網絡配置文件選擇設備類型為協調器，協調器首先進行能量檢測和信道選擇（默認信道為11），然后申請網絡建立．網絡層根據設備64位IEEE地址給設備分配一個16位的網絡地址和PAN標識符來啟動網絡．網絡建立成功后，等待終端節點加入網絡，對終端節點發出的加入網絡申請進行響應，反饋給終端節點確認信息，并且分配16位的網絡地址．隨后協調器偵聽所有無線信道，若有數據則接受數據并進行分析處理．協調器同時還檢測串口有無控制/查詢命令信息，若串口傳來控制/查詢命令信息，協調器將控制命令發送給相應的終端節點；協調器接收查詢命令并將所查詢的信息反饋給GSM模塊，由GSM模塊將此信息發送至用戶手機．

3.1.2 終端節點軟件設計

終端節點的啟動過程和協調器啟動過程類似，但兩者的網絡配置文件不同．終端節點上電進行初始化，掃描信道尋找網絡，若發現網絡則請求加入網絡．協調器收到加入請求后經網絡層向應用層發送加入確認信息，終端節點啟動且已經加入網絡．

本設計中終端節點分為傳感器節點和控制節點，溫濕度傳感器節點通過傳感器采集溫濕度數據，借助ZigBee模塊將數據發送給協調器；可燃性氣體傳感器節點檢測傳感器輸出的電平，若為低電平則向協調器節點發送報警信息，否則繼續等待信號采集．終端節點發送成功則進入休眠狀態，等待定時器喚醒；若發送失敗，則繼續發送，直到發送成功為止．控制節點加入網絡后則是時刻偵聽信道，接收來自協調器的控制命令并執行此命令．終端節點程序流程圖如圖5所示．

3.2 GSM模塊軟件設計

GSM模塊主要作用是向用戶手機發送設備狀態信息和報警信息，接收來自手機的控制命令．所以GSM模塊的軟件設計主要是短信的收發程序設計，GSM模塊的通信全部采用AT指令完成．

目前，發送短消息常采用Text和PDU（ProtocolDataUnit，協議數據單元）模式[4]．使用Text模式收發短消息代碼簡單，實現容易，但缺點是不能收發中文短消息；而PDU模式不僅支持中文短消息，也能發送英文短消息，所以本設計采用PDU模式收發短消息．

圖5 終端節點流程圖Fig.5 The flow chartof Terminalnode

GSM模塊使用之前必須進行初始化，初始化包括串口通信，設置串口通訊波特率，SIM卡的狀態查詢、網絡信號強度、設置短消息的收發模式等[5-6]．初始化結束允許收發短信息．

3.2.1 發送短消息

發送短消息的主要工作是將發送的內容進行相應的編碼，然后是將發送所用的SMS服務中心號碼、目標號碼、有效時間和編碼后的短信內容按照PDU的格式發送出去．短消息的發送流程如圖6所示．

3.2.2 接收短消息

接收短消息就是協調器讀取SIM卡中短消息的過程．用戶手機發送短消息到GSM模塊后，短消息存儲在SIM卡中，協調器首先讀取SIM卡中的新消息，然后分析短消息的PDU格式，從PDU格式中獲取短消息的編碼方式，對短消息進行解碼，協調器根據短消息內容進行相應的操作．接收短消息的流程如圖7所示．

圖6 短消息的發送流程圖Fig.6 The flow chartofshort message sending

圖7 短消息的接收流程圖Fig.7 The flow chartof short message receiving

4 系統調試結果

如圖8所示，協調器上電啟動，分配網絡ID號．等待終端節點的加入和數據的收發．

如圖9所示，溫濕度傳感器節點加入網絡并向協調器發送數據，協調器將這些數據經LCD顯示．如圖顯示了終端節點的設備ID和溫濕度數值．

5 結論

本文設計了基于ZigBee技術和GSM的智能家居系統．該系統應用ZigBee技術組成星型網絡，使各種家居設備通過無線網絡聯系起來，能夠對家居環境和設備進行統一的管理和控制，實現了家居的智能化．系統將家庭內網通過串口連接GSM網絡，使用戶能夠通過手機監控家居環境和設備，實現了智能家居系統的遠程控制．該系統安裝方便、使用簡單、容易擴展，用戶可根據自己的需要設置不同的終端節點．系統滿足了小型家庭的低功耗、低成本的需要，讓智能家居走進千家萬戶．

圖8 協調器節點啟動狀態Fig.8 The startup state of coordinator node

圖9 協調器節點接收到終端節點的數據并顯示Fig.9 The coordinatornode receive and display the data from the term inalnode

[1]冉彥中，曹婧華．Zigbee協議星型組網實驗的設計與實現[J]．實驗技術與管理，2013，30（2）：101-102．

[2]賀安坤，張亮．基于ZigBee技術的智能家居系統的設計與實現[J]．微計算機信息，2012，28（9）：168-169．

[3]陳龍濤，羅桂娥．基于ZigBee技術的智能家居系統的研究與設計[J]．微型機與應用，2010，29（20）：100-102．

[4]張增林，郁曉慶．基于GSM網絡的家庭智能監控器[J]．微計算機信息，2012，28（9）：8-10．

[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．

[6]高明明，惠曉威．基于GSM短信的智能家居控制系統的研究[J]．微計算機信息，2010（34）：79-81．

[責任編輯 代俊秋]

Design ofsmarthomesystem based onGSM and zigbee technology

WU Yi，BAOChun-Lan

(School of Inform ation Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Tomeet the needs of the wireless communication and the remote control of the smart home,a smart home system based on GSM and ZigBee technology isdeveloped.The system use ZigBeew ireless communication technology constructs thew ireless network of smarthome,and remote control is achieved by GSM network.Thispaperexpounds theoverallstructuremodelof thesystem and theworking principleof thesystem,based on thecharacteristicsof hardware and softw are,givesa detailed design scheme of the system;The experimentshows that the system has characteristics of low pow er consum ption,high reliability,good expansibility,easy to useand so on,which alsohasvery broad app lication space in smarthome.

zigbee;GSM;smarthome;CC2430;remote control;TC35i

TN 92

A

1007-2373(2014)01-0015-04

2013-09-28

武一（1964-），女（漢族），教授．