智能家庭系統的智能網關設計

劉江蘇

摘 要 智能網關是智能家庭系統的核心部分，本文主要研究ZigBee相關技術，設計功能完善、應用方便的智能網關。系統的智能網關由ZigBee協調器和PC組成，本文介紹其硬件組成和軟件功能設計。

【關鍵詞】智能網關 ZigBee 智能家庭

隨著物聯網技術的發展，智能家庭系統應用前景變得越來越明朗，設計一個技術先進，用戶使用方便的智能家庭系統有著很大的實際意義。本智能家庭系統基于ZigBee無線通信技術，用戶利用安卓智能終端控制使用。整個系統中最為核心的部件就是智能網關，一個功能完善、應用可靠、使用方便的智能網關對于智能家庭系統至關重要。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee又稱紫蜂協議，是近年來新興的一種短距離無線通信技術。由于其低功耗、低復雜度和自組織等特點在物聯網方面得到了廣泛應用。ZigBee協議分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。

相較于藍牙、Wi-Fi和紅外等短距離無線通信技術，ZigBee有著其獨特的優勢。例如低功耗，其一個節點只需要2節5號電池便可以工作6-24個月；低成本，ZigBee免協議專利費，一個芯片只需要約2美元；高容量，一個節點可以管理254個子節點。正是由于這些特點，ZigBee技術非常適合應用于智能家庭系統中。

2 智能網關在系統中的地位

基于無線互聯網的智能家庭系統使得用戶可以利用移動終端設備實時監測家庭環境，發出控制指令來操控家居智能設備，而接收及發送監測數據和控制指令的設備就是整個系統的中樞，即智能網關。

智能網絡在整個系統中處于核心地位，是智能終端設備和用戶控制端的數據交流中樞。

3 智能網關的硬件組成

本智能家居系統采用的是基于Zigbee技術實現傳感器的組網和數據傳輸，因此智能網關的硬件設備由一臺PC機和一個zigbee協調器組成。ZigBee協調器主要的任務是實現各個傳感器終端通過ZigBee網絡組網，并將各傳感器采集的數據傳輸給PC機處理。

ZigBee協調器的硬件核心是cc2530芯片，該芯片是由美國TI公司設計，其具有強大的地址識別和數據包處理引擎。該芯片結合德州儀器的ZigBee協議棧，實現一個相對完整的ZigBee解決方案，是低成本低功耗組網方案的較好選擇。cc2530 具有不同的運行模式，其采用的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，功能強大，應用型較強。總體而言，cc2530是一個優秀的SoC解決方案，是智能家庭系統中網關芯片的很好選擇。

其次還包括usb接口，主要作用是與PC機相連利用串口將數據傳輸給PC機的相應服務器軟件，進行數據的處理和顯示。

PC的硬件選擇相對較容易，為了提高智能家庭系統的適應性，硬件方面要求較低，主流的家用PC都能滿足要求。

4 智能網關的軟件設計

智能網關的軟件設計主要包括兩個部分，一個部分是ZigBee協調器的功能實現編碼，另一個部分就是安裝在PC機上用戶使用的服務器端軟件。

4.1 ZigBee協調器編碼

ZigBee協調器的編碼實現主要是利用IAR810工具編寫代碼，其后使用仿真器將相應程序寫入到cc2530芯片中，并調試完成。

下面以控制LED燈為例介紹其具體實現過程。

對于LED終端，其工作主要是根據接收的控制指令來打開或者關閉LED燈，同時還需要將當前LED燈的狀態反饋協調器，以便在服務器和用戶移動端顯示。LED終端首先會以向協調器單播的方式加入ZigBee網絡。

對于協調器而言，需要先進行串口初始化，然后將其設置為廣播方式。隨后ZigBee協調器就以廣播方式與各終端組網。待組網成功之后，協調器會將終端傳輸過來的相關數據利用串口送給PC端服務器。如果收到PC服務器通過串口傳送過來的各種控制命令，協調器會利用ZigBee無線網絡傳輸給各個終端，實現相應功能。對于LED燈終端控制指令就是打開和關閉兩個。

4.2 PC端服務器軟件設計

對于PC端服務器，其主要工作是將協調器通過串口傳輸過來的數據一方面顯示在利用visual studio 2012開發的應用控制端，另一方面利用socket通信發送給用戶安卓客戶端。當然服務器也會向安卓客戶端發送來的指令（例如打開或者關閉LED燈）通過串口傳輸給協調器。

本系統的PC端服務器界面設計如下的一些功能控件。

4.2.1 系統設置

一個下拉菜單用于選擇PC連接協調器的串口及打開串口控制按鈕。另一方面是啟動和關閉服務按鈕及用于顯示服務器IP地址的文本框。啟動服務器之后，在用戶的安卓客戶端輸入服務器的對應IP地址就可以與服務器連接，實現信息的顯示和感應器終端功能控制。

4.2.2 功能控制和信息顯示

第一個是窗簾控制，設計了用于控制窗簾電機正轉和反轉的兩個按鈕，對應于窗簾的打開和關閉。其次是LED燈控制，設計了一個按鈕用于LED燈的開關。然后是插座，設計一個按鈕用于插座的開關。最后就是信息的顯示，主要包括有溫度、濕度和煙霧，分別設計了文本框控件用于顯示相應數據。

5 總結

智能網關是整個智能家庭系統的核心部分，一個高效、易用的智能網關對整個系統起著至關重要的作用。從硬件方面而言，本系統的智能網關設計采用的是TI公司開發的cc2530芯片協調器，軟件設計功能完善，用戶使用簡單，有較好的應用前景，具備一定的推廣價值。

參考文獻

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