基于Web版微信與ZigBee網絡的智能家居設計

周鼎 曹以龍

摘 要：針對現有的智能家居操作系統復雜、移植性差、后期維護成本高等缺點，文中提出了一種基于AM3358內核的BeagleBone Black、Web版微信、ZigBee無線組網技術的智能家居監控系統。該系統由作為中央處理器的BBB、Web版微信登錄、ZigBee無線傳感網絡以及各種可攜帶傳感器的終端組成。本系統完成了智能家居的硬件和軟件設計，內網由CC2530和各類傳感器組建，外網采用Web微信登錄機制與內網通信，完成通過協調器對各個終端數據的采集，并能通過Web版微信控制內網節點的狀態。實驗結果表明，該系統能穩定運行，登錄Web版微信便可實現對家居電器設備的控制。

關鍵詞：監控系統；ZigBee；智能家居；Web版微信

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-0-03

0 引 言

智能家居以住宅為平臺，利用先進的網絡通信技術將各種設備有機地結合在一起，實現家居自動一體化，為用戶提供高效便捷的家居環境。本設計以BBB作為上位機，外網采用微信個人登錄的方式對家居進行控制，內網采用TI公司的CC2530芯片作為無線收發器。終端傳感器多次對用戶信息進行采集，通過BQ神經網絡算法模擬出一種自適應用戶習性擬合數據，反饋至BeagleBlack Bone存儲，可以通過發送指令控制家居調整至用戶需要的設置，從而達到使家居滿足用戶需求的效果。

1 系統結構設計

1.1 內網組建方式

一般來說，智能家居系統分為內網與外網，內網是用于家庭內部設備與網關通信的網絡。本文設計指的是各類傳感器與協調器及協調器與BBB之間的通信，無線智能家居內網組建采用ZigBee無線通信方式，不僅功耗低，其成本相對于藍牙等其他無線技術更低。

1.2 外網的組建

外網是指BBB與以太網的通信，微信登錄發送指令與BBB組成的網絡。現有的用于遠程監控的平臺大部分采用微信公眾號或者商家自帶的App。Web版微信登錄方式不僅移植性強，而且相比于公眾號更方便、安全、快捷；相比于App控制，后期維護成本更低，且操作簡單。

1.3 總體結構設計

系統的總體設計由以下部分構成：Web版微信作為外網登錄獲取并控制內網信息、BBB開發板作為中央處理器（相當于PC機）、數據中轉站的ZigBee協調器以及連接著多個傳感器的終端設備。整體系統結構如圖1所示。

2 智能家居系統硬件設計

2.1 BeagleBone Black處理器

系統的中央處理器是BeagleBone Black，通常稱為BBB，這是一塊面向Maker設計的嵌入式Linux開發板，內部采用ARM Cortex-A系列核心的TI處理器。在本系統中，該處理器的作用類似“大腦”，負責數據處理、存儲數據、指令轉發等一系列工作。

2.2 ZigBee協調器與終端設備設計

ZigBee 模塊是組建家庭內網的基本單元。通過ZigBee協調器無線接收的各個終端數據通過串口轉發給BBB，ZigBee終端設備則用于直接接收各類傳感器的信息并發送給協調器。通過ZigBee模塊把家庭內網與互聯網連接起來，實現數據的轉發。ZigBee模塊芯片采用CC2530，通過ZigBee協議棧，為ZigBee通信提供一個完美的解決方案。終端與各類傳感器的連接如圖2所示。

2.3 電源模塊設計

本文設計一共需要兩種不同幅值的電壓輸入，分別是直流5 V和直流3.3 V。其中，5 V電壓是由手機電源適配器提供，3.3 V由5 V變換得到。系統中需要采用3.3 V電壓給ZigBee芯片、溫濕度傳感器、光敏傳感器模塊供電，沒有較大的電流需求，只要求電源電壓的紋波較低，故本系統采用線性穩壓電源模塊，通過5 V電源降壓得到3.3 V電源。LM1117是一款低壓差的線性穩壓器，它可以實現5 V到3.3 V電源的轉換。3.3V直流電源設計原理如圖3所示。

3 智能家居系統軟件設計

本文設計采用BBB開發板，以Z-Stack作為網絡通信協議，微信作為外網與內網的通信方式。

3.1 ZigBee組網

系統使用IAR systems公司的集成開發環境IAR Embedded Workbench，IAR Embedded Workbench 是一個用于編譯和調試嵌入式應用程序的集成開發環境， 支持 C/C++語言。系統使用TI公司的ZigBee協議棧， ZigBee協議棧運行在一個稱為OSAL（Operation system Abstraction Layer）的操作系統上，OSAL基于任務調度機制， 其工作原理為：將每個事件都設置一個事件號，根據事件號的優先級，輪換查詢事件是否被觸發，當事件被觸發，調用相應的任務處理程序。在ZigBee網絡中有三種設備類型，即Coordinator（協調器），Router（路由），End-Device（終端）。ZigBee網絡由一個協調器、多個路由和多個終端組成，將相應的程序燒錄到不同的設備上，上電后自動組網。

3.2 協調器節點軟件設計

協調器和終端設備在組網時會自動分配給各個節點一個16位的MAC地址，協調器發送命令數據采用點播的方式在外網Web版微信登錄后，發送一個指令，BBB接收后通過串口的方式發送給協調器，之后再轉發給相應的終端設備。協調器的工作原理流程如圖4所示。

3.3 終端節點軟件設計

終端節點用于收集各類傳感器的數據，當協調器下達命令時，通過終端節點將指令轉發至相應的傳感器，從而達到控制家庭設備的目的。終端節點使用一塊電池供電，其工作流程如圖5所示。

3.4 Web版微信登錄原理

由于本文外網設計是通過 Web版微信登錄控制內網的設備，所以Web版微信登錄機制也是軟件設計的重要部分。當用戶請求登錄Web版微信時，微信服務器返回一個會話ID，生成一個隨機的二維碼，通過掃描二維碼來標識當前的登錄，微信服務器輪回查詢用戶手機端是否已經掃描二維碼并確認在Web端登錄。微信服務器訪問登錄地址并獲取uin、sid、pass_ticket、skey，在后續通信的過程中都會使用到這幾個值。登錄完成后，服務器通過返回給用戶的會話ID對用戶進行微信好友以及公眾號的信息同步，不斷查詢是否有消息接收。當接受到一個消息之后，在數據庫里查詢是否有相關的指令回復，并向發消息的用戶回復相應節點的信息。Web版微信登錄具體流程如圖6所示。

4 智能家居系統遠程監控功能測試

外網登錄Web版微信后，就可以與內網通信。

圖7所示為當發送一個字符時，系統做出回應，默認“.”為起始指令，用戶發送”.”，查看是否登錄成功。

“.all initial”指令用來初始化內網信息，命令協調器更新網絡中節點的數量，如圖8所示。

“.all status”命令用以查詢各個節點的狀態，返回各個終端節點包含的傳感器的信息，如圖9所示。

圖10所示為終端節點重命名功能圖，用于對終端節點的重命名，重命名成功后返回成功信息。

通過微信端發送的指令，可以人為地改變設備的狀態，待后臺回復消息后，更新設備狀態，同時也可以查詢各終端節點的信息，如圖11所示。

輸入相應的節點名字與設備名稱，返回該傳感器測量到的數值，如圖12所示。

5 結 語

本文主要對現存的智能家居系統進行了細節展示，搭建了一個微型的智能家居平臺，并且運用外網與內網的連接達成了用戶對家居的總體控制。通過實驗結果可知，所設計系統穩定，各傳感器工作正常，并且能順利實現用戶命令的效果。同時，使用Web版微信登錄方式，不僅移植性強，相比于公眾號也更方便、安全、快捷，具有較好的實用價值。

參考文獻

[1]鄭艷華，蔡佳林.一種基于微信平臺的智能家居系統[J].物聯網技術，2016，6（12）：45-47.

[2]孫會民.基于物聯網ZigBee技術的智能家居監控系統[J].軟件導刊，2015，15（9）：97-99.

[3]李泊鋒，王亞剛.基于ZigBee無線技術的智能家居系統設計[J].電子科技 ，2016，29（3）：86-89.

[4]張景宇，劉汝濤，徐韶，等.基于人工魚群神經網絡的GPS高程擬合研究[J].城市勘測，2017（1）：86-90.

[5]鄧中祚.智能家居控制系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[6]王泰惠.基于無線網絡的智能家居組網研究與實現[D].大連：大連理工大學，2015.

[7]王云崗.基于ZigBee的嵌入式智能家居系統設計[D].綿陽：西南科技大學，2015.

[8]陳淡寧.基于物聯網的智能家居環境監測系統的研究[D].長春：吉林大學，2014.

[9]馬舟.基于ZigBee協議的智能家居家庭環境監測系統的研究與設計[J].北京：華北電力大學，2014.

[10]聶佰玲，劉亞，李宇，等.基于微信控制的智能家居系統研究與設計[J].山西農經.2016（2）：97-98.

[11]王加梁.基于ZigBee技術的智能家居系統的設計與應用[J].電子技術與軟件工程，2016（18）：34-35.

[12]吳義黃，唐丹宏，郭坤，等.基于微信端的智能家居監控系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016（11）：208-210.