基于ZigBee的輕智能家居監控系統的設計

張江山++熊哲源

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.157

摘 要：針對傳統智能家居系統存在成本高、設備復雜、布局不靈活的局限性，該文提出了一種基于ZigBee技術的輕智能家居監控系統設計方案。運用ZigBee技術XBee模塊組建家庭內網，S3C6410芯片搭載Linux操作系統設計網關，利用以太網作為通信外網，智能手機作為監控終端，實現了遠程家居環境監測、安全報警和家電控制的功能。該監控系統具有輕巧、功耗低、成本低、操作方便、布置靈活、功能可自由搭配等優點，具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：輕智能家居 ZIGBEE技術 XBee 監控系統

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0157-04

Design of Light Intelligent Home Monitoring System Based on ZigBee

Zhang Jiangshan Xiong Zheyuan

（Jiangxi Police Institute，Nanchang Jiangxi，103003，China）

Abstract：For the limitations existing in traditional smart home， such as high cost， complex equipment， inflexibility of equipment layout and so on， a design scheme of remote monitoring system of light smart home based on ZigBee technology is put forward. Internal network of smart home is constructed based on XBee module， and then the gateway is designed with S3C6410 chip transplanted into Linux operating system， using Ethernet as the external network of smart home， using intelligent mobile phone as monitoring terminal. The functions of the system conclude real-time home environmental remote monitoring， warning alarm， and home appliance control. The system has the advantages of low power consumption， light， Low cost， convenient operation， flexible layout and free combination of functions.it has certain application and dissemination value.

Key Words：Light smart home；ZigBee technology；XBee；Monitoring system

近年來，隨著電子通信技術和網絡技術不斷發展及生活水平的提高，家居系統的智能化、輕量化、操作便利越來越受到人們的關注。輕智能家居是指無需施工部署、功能可自由搭配組合、價格相對便宜、可直接面對最終消費者銷售的產品或系統[1]。輕智能家居系統與傳統智能家居相比具有易安裝、易交互、節能、輕等優點，能使人們家居生巧活更安全、舒適和便利[2]。基于此，文章提出了一種基于ZigBee技術的輕智能家居遠程監控系統設計方案。選用S3C6410芯片搭載Linux操作系統進行家庭網關設計，利用體積小、功耗低、壽命長的ZigBee技術XBee模塊和傳感器構建家庭內網，實現家居環境信息的采集和控制命令的傳輸，以太網通信系統作為家庭外網實現數據遠距離傳輸，智能手機作為監控終端[3]，編寫APP軟件裝載手機實現交互。該系統具有輕巧、安裝簡單、布置靈活、成本低、操作直觀簡便[4]的特點。

1 系統總體方案設計

基于ZigBee的輕智能家居監控系統采用模塊化結構設計，主要包括監控節點模塊、網關節點模塊、終端監控模塊3部分，ZigBee無線傳感網絡采用星型拓撲結構[5]。系統總體結構如圖1所示。監控節點模塊是ZigBee無線傳感網絡的終端節點，它被部署在家庭室內，通過與之相連的傳感器采集家庭環境信息，如溫濕度、光強度，及安防狀態信息，如可燃氣體泄漏、盜賊入侵，同時將這些信息發送給網關協調器節點。監控節點通過無線傳感網絡接收網關節點轉發過來的控制指令并執行。網關模塊是該系統的核心，一方面負責建立ZigBee和Internet混合通信網絡實現模塊之間通信，一方面負責收發數據并處理和解析。終端監控模塊采用智能手機，通過它可及時得到家中實時環境信息、安防報警信息實現家居遠程監控，向智能家電發送控制指令實現家居遠程控制。

該系統采用的模塊化設計和ZigBee技術無線組網，具有安裝部署簡單、功能可以自由搭配、功耗低的特點，符合輕智能家居的要求。

2 系統硬件設計

2.1 監控節點模塊硬件設計

監控節點模塊是ZigBee無線傳感網絡的基本組成單元。主要實現各種數據采集、無線連接和運行命令控制，從功能上劃分為傳感器模塊、家電控制模塊、主控制器模塊、無線傳輸模塊和電源模塊。監控節點的硬件結構框圖如圖2所示。

主控制模塊是監控節點的核心部分，一方面負責對傳感器的數據進行采集和處理，一方面執行經網關轉發過來的控制命令。由于連接傳感器設備比較多、數據量大，該設計主控制器選用8位的ATmega128微控制器。它的內部集成了128 kB的可編程Flash、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM，能夠暫存最近幾次傳感器采樣數據值；具有2個UART接口，可以直接與XBEE模塊相連；有53個通用I/O口接線和8路模擬輸入接口，可以滿足系統功能擴展需求；使用工作電壓3.3 V，工作時鐘頻率8 MHz，有利于實現系統低功耗。

無線通信模塊主要負責監控節點和網關控制器之間無線通信。針對輕智能家居系統低功耗、信號穩定要求，選用MaxStream公司基于ZigBee技術的XBee-pro構建家庭內網，IEEE 802.15.4/ZigBee協議構建無線傳感器網絡，XBee-proRF具有低功耗、穩定性好、網絡容量大的優點[6]。最大發射功率50 mW，室內傳輸距離120 m，室外傳輸距離可達1 500 m，接收靈敏度-92 dBm。它與ATmega128控制器可以通過UART接口直接相連，實現無線通信功能[4]。內置有ZigbeePRO協議棧?？梢灾苯油ㄟ^X-CTU軟件配置進行組網通信，降低了設計難度。

傳感器模塊主要是實現對各種家居信息的檢測，根據功能不同分為環境信息檢測模塊和安防信息檢測模塊。環境信息檢測模塊選用溫濕度傳感器SHT11和光敏電阻5516來檢測家庭室內溫度、濕度及光強，安防信息檢測模塊選用可燃氣體傳感器MQ_2和熱釋紅外傳感器LH1778來檢測家庭室內可燃氣體值和盜賊入侵情況。傳感模塊檢測信息送至主控制器分析處理，然后通過無線傳感網絡送至網關控制器，網關控制器將接收數據經以太網絡傳送到遠端的智能手機，實現遠程監控及報警功能。

家電控制模塊主要根據設備功能通過驅動電路實現設備控制，該系統設計主要實現電動窗簾、照明燈遠程控制和聲光報警裝置、排氣扇智能控制。電動窗簾控制就是遠端電風扇控制命令經Internet和ZigBee混合網傳輸至連接有步進電機的控制節點，之后控制節點的主控制器輸出脈沖調制信號經過驅動電路控制步進電機的的運行狀態（方向、速度）來實現。電動窗簾的驅動電路選用L298驅動芯片，它與主控制器的接口電路如圖3所示。照明燈通過繼電器電路來實現開關控制。聲光報警裝置和排氣扇直接與控制器相連，當監控節點檢測到危險情況時由控制器直接啟動。不同的家電要設計不同的識別碼實現對家電識別，該系統電動窗簾的識別碼設計為080，照明燈開關識別碼為081，聲光報警裝置識別碼為082，排氣扇識別碼為083。

2.2 網關模塊硬件設計

網關模塊是系統的核心部件，負責數據處理、指令分析和ZigBee-Internet混合通信網絡的建立。它以ARM11處理器為中心，由XBee-PRO模塊、以太網模塊、電源模塊組成。網關硬件結構如圖4所示。

網關模塊對中央微處理器處理速度要求比較高，所有的設備控制、任務調度、通信協議轉換、數據收發和數據管理等任務都需要中央微處理器。再從功耗、操作系統的支持和可擴性方面考慮，該設計選用32位的ARM11處理器S3C6410芯片為主處理器。以太網模塊選用DP83848芯片，它可以直接與ARM的引腳相連實現數據遠程傳輸。XBee通信模塊和監控節點一樣選用XBee-pro，負責建立ZigBee無線傳感網絡，將所有的監控節點加入到網絡中來，網絡組建成功后，匯集所有監控節點采集的環境信息傳輸給ARM11處理器進行數據處理與分析，將ARM處理器接收到的遠端用戶的控制命令傳輸給監控節點。

3 軟件設計

基于ZigBee的輕智能家居遠程監控系統的軟件設計的工作主要包括監控節點、網關節點、用戶手機端監控軟件3部分，完成傳感器數據實時采集、傳輸及顯示、家電控制和報警功能。

3.1 監控節點軟件設計

監控節點程序設計基于AVR STUDIO IDE開發環境，利用C/C++語言編寫。程序主要完成系統初始化、加入傳感網絡、數據采集傳輸和家電控制功能。

系統上電后，監控點程序首先執行系統初始化，對I/O口、MAC層、網絡層初始化，加入網絡，打開總中斷，接著進入主循環程序執行數據采集功能和家電控制功能。監控節點不斷輪詢各傳感器采集數據，并將采集數據值存儲在不同內部存儲器中。同時計算最近幾次數據值的算術平均值，并將結果上傳至家庭網關控制器。對于安防信息設定一個閥值與平均值比較，如果平均值大于閥值，表明有危險情況發生，則監控節點控制器直接進入中斷處理流程，啟動聲光報警裝置，并根據信息存儲器地址判斷可燃氣體泄漏險情啟動排氣扇。同時上傳報警信息到網關模塊傳送至遠端的用戶。對于經網關控制器傳送過來的遠端用戶家電控制命令，ZigBee子節點則在無線數據接收中斷處理流程中直接對指令進行分析，根據識別碼實現相關家電控制。監控節點程序流程如圖5所示。

3.2 網關節點程序設計

網關節點程序設計是在Linux環境下，利用C語言開發。主要工作包括兩方面，一方面是實現與ZigBee網絡互聯；另一方面是實現Linux系統與以太網/GPRS網絡的命令控制字和數據傳輸。設計流程如圖6所示。

網關主程序首先執行系統初始化，對I/O口、MAC層、網絡層初始化，建立一個ZigBee以太網混合通信網絡，打開總中斷，使系統處于正常通信狀態。接著執行數據收發死循環程序，主接收來自控制節點傳感器的數據，解析數據的地址并且完成數據校驗，如果數據傳送正確，則將該數據上傳至以太網模塊。網關控制器固定周期讀取以太網接接口的數據，若接收的數據正確，則將該數據發送給識別碼對應控制器節點。

為了提高系統運行效率，該程序設計利用Linux QT多線程技術進行開發，把應用程序分解為環境監測線程、安防報警線程和智能家電線程。此外，程序設計還進行了網關底層驅動程序設計，Linux操作系統的搭建和移植。

3.3 智能手機遠程監控軟件設計

監控軟件是基于Android平臺開發的APP軟件，采用Eclipse工具中的Android插件設計，程序主要使用java語言編寫，調用Android部分API函數庫來實現。智能手機通過WiFi接入傳輸網絡，通過Socket編程指定服務器實現與網關之間的通信功能。

監控軟件主要設計了兩個簡潔美觀、易于操作界面，一個是登錄界面如圖7所示，另一個是監控界面如圖8～10所示。登錄界面實現賬戶設定及登錄；監控界面按功能分為環境監測單元、家居安防單元、智能家電單元，環境監測單元用來顯示家庭中溫濕度情況，家居安防模塊用來對家中進行布防監控，并顯示報警情況。智能家電單元用來對家電進行遠程開關控制操作。

4 系統測試

系統設計完成后進行測試，首先，根據測試要求布置好監控節點、路由器，將PC機通過Internet網連接網關啟動系統，確保手機連接到外網。然后打開手機上監控軟件登錄界面輸入賬戶名、密碼、MqttID點擊確定按鈕，進入監控界面。

（1）對系統環境監測功能進行測試：點擊環境監測功能按鈕，手機上出現環境監測窗口，此窗口能實時顯示家庭中的溫度值和濕度值，界面如圖8所示。

（2）對系統家居安防功能進行測試：點擊家居安防功能按鈕，手機上出現家居安防窗口，此窗口能實時顯示家庭中安防探測器的報警狀態信息，點擊打開聲光報警器和排氣扇圖標其背景顯示為紅色。當安防探測器沒有報警時，探測器圖片背景顯示為綠色；當探測器發生報警時，探測器圖片背景顯示為紅色。非法入侵報警會啟動聲光報警器，可燃氣體泄漏報警會同時啟動聲光報警器和排氣扇。解除報警后，點擊相應探測器圖標能使其背景為綠色進入布防狀態。安防測試界面如圖9所示。

（3）對系統家電控制功能進行測試：點擊智能家電功能按鈕，手機上會出現智能家電窗口界面，能實時顯示家電狀態信息并能控制家電工作狀態（如圖10所示）。點擊家電設備圖標可以成功打開和關閉相應的家電。

經測試，該系統手機監控端反映的監控節點的溫濕度變化和警情與實際相符，能成功啟動安防聲光報警裝置和動排氣扇，也能成功地實現對電動窗簾和照明燈進行遠程開關控制。

5 結語

該文提出了一種基于ZigBee輕智能家居遠程監控系統設計方案，系統實現了以移動終端對家居狀態信息實時監測，家庭安全狀態實時監控及家電開關遠程控制。利用低功耗ZigBee技術XBee模塊組建家庭內網，硬件采用模塊化設計，監控軟件采用界面設計，使系統具有無需人工布線、移動性好、操作簡單、功能可自由搭配和節能的特點，符合輕智能家居的要求，能夠為大家提供更加安全、舒適、便利的家居環境。

參考文獻

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