對基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)探討

高小明

摘要：ZigBee物聯(lián)網(wǎng)為智能家居系統(tǒng)設(shè)計所依靠的關(guān)鍵技術(shù)，對系統(tǒng)設(shè)計人性化水平的提高，及人機(jī)交互的實現(xiàn)，具有重要的價值。本文首先分析了ZigBee物聯(lián)網(wǎng)，基于此，從傳感器、智能網(wǎng)關(guān)及健康平臺3方面入手，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計方案。并以燈光、電機(jī)、遙控及健康管理等為例，對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式進(jìn)行了探討。通過對模擬測試結(jié)果的觀察，證實了系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；智慧家居系統(tǒng)

近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展水平的提高，智能家居系統(tǒng)逐漸產(chǎn)生，為人們生活質(zhì)量的提高提供了路徑。智能家居功能的實現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的要求較高。ZigBee指基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。將其應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)的設(shè)計中，可有效增強(qiáng)系統(tǒng)功能。因此，對該技術(shù)的應(yīng)用方法加以研究較為必要。

1 ZigBee局域網(wǎng)的優(yōu)勢

ZigBee局域網(wǎng)的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在功耗低、節(jié)點支持量大等方面，與其他無線網(wǎng)絡(luò)對比，具有明顯的優(yōu)勢。從網(wǎng)絡(luò)大小及成本方面分析，GPRS的網(wǎng)絡(luò)大小為1、WiFi為32、藍(lán)牙為7、ZigBee最高可達(dá)65000。四者之中，以ZigBee局域網(wǎng)的成本最低，可靠性最強(qiáng)[1]。可見，與WiFi等技術(shù)相比，采用ZigBee局域網(wǎng)設(shè)計智能家居更加具有可行性。

2 ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧家居系統(tǒng)的設(shè)計

基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計方法如下：

2.1 傳感器設(shè)計

（1）硬件設(shè)計：傳感器硬件包括電源、數(shù)據(jù)采集模塊及無線收發(fā)模塊3部分。其中電源由可移動電源與不可移動電源2部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊的功能，需依靠模塊傳感器而實現(xiàn)，包括人體監(jiān)測傳感器及溫度傳感器等。無線收發(fā)模塊的功能，需依靠射頻芯片而實現(xiàn)。本課題所應(yīng)用的芯片，以TI及Jennic為主，TI包括CC2420及CC2430等多種功能，Jennic則可支持JN5152的實現(xiàn)[2]。（2）軟件設(shè)計：ZigBee軟件由數(shù)據(jù)采集軟件、智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件等構(gòu)成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Star結(jié)構(gòu)及Cluster結(jié)構(gòu)。前者具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，但數(shù)據(jù)鏈路僅包括1條。后者結(jié)構(gòu)則相對復(fù)雜。采用兩種方式設(shè)計，可有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

（1）硬件設(shè)計：智能網(wǎng)關(guān)電源由TI電源管理芯片UCC28710DD所控制，輸出電壓5V，開關(guān)電流2A；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)出與接收，可借助WiFi而完成；硬件芯片型號為RT5350WiFi，CPU內(nèi)核為MIPS 24Kc；智能網(wǎng)關(guān)具有LED顯示功能，使用者可利用WiFi調(diào)整LED燈管的工作狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對智能家居的自動化控制。（2）軟件設(shè)計：智能網(wǎng)關(guān)可使用的路由系統(tǒng)，包括OpenWrt、DDWrt及Tomato三種，前者具有使用簡單、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高的優(yōu)勢，因此本課題將OpenWrt選擇為了主要的路由系統(tǒng)。OpenWrt編輯工具為Vim、版本系統(tǒng)Git，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性較強(qiáng)，應(yīng)用價值較高。

2.3 監(jiān)控平臺設(shè)計

監(jiān)控平臺終端通常為智能硬件設(shè)備，如智能手機(jī)或電腦等，本課題所設(shè)計的監(jiān)控平臺，可供兩種設(shè)備同時在線監(jiān)測。以Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)為例，平臺的設(shè)計方法如下：（1）開發(fā)工具：Ant+JDK或Eclipse+ADT均符合系統(tǒng)的開發(fā)需求，但后者使用方法更加簡單，因此本課題考慮采用Eclipse+ADT工具進(jìn)行設(shè)計。（2）模塊構(gòu)成：監(jiān)控平臺由Socket通信模塊及用戶登錄模塊構(gòu)成。以后者為例，系統(tǒng)運(yùn)行期間，用戶隨時可經(jīng)終端登錄至監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)入監(jiān)控畫面主界面，通過輸入用戶名+密碼的方式，與監(jiān)控平臺相連接。在此基礎(chǔ)上，觀看監(jiān)控圖像。

3 ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧家居系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

3.1 ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧家居系統(tǒng)實現(xiàn)

ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧家居系統(tǒng)可實現(xiàn)對燈光、電機(jī)、家電等的控制，同時還具有安全預(yù)警及健康管理的功能。上述不同功能的實現(xiàn)方法不同。以燈管控制功能為例：智能家居燈光控制系統(tǒng)，共包括開關(guān)控制與燈光接入兩大子系統(tǒng)。用戶可采用遙控裝置，實現(xiàn)對光源亮度、開關(guān)以及場景模式的調(diào)整。如用戶未處于家庭內(nèi)部，還可通過手機(jī)WAP或電話等方式，遠(yuǎn)程遙控，實現(xiàn)對燈光的控制。采用上述方法設(shè)計，能夠有效提高光源的控制效率，且可達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的效果。除此之外，用戶還可經(jīng)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對家庭內(nèi)部的監(jiān)控。當(dāng)家庭被其他人員非法入侵時，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動報警，并經(jīng)監(jiān)控平臺，將畫面顯示在智能終端中，以供用戶查看。

3.2 系統(tǒng)性能測試

以智能家居系統(tǒng)的安全預(yù)警功能為例，對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試：

3.2.1 測試平臺

本課題所設(shè)計的測試平臺，共由傳感器、攝像頭及家庭網(wǎng)關(guān)3部分構(gòu)成。傳感器中，人體感應(yīng)模塊為重點模塊。人體感應(yīng)模塊直流電壓4.5V～20V。觸發(fā)方式包括L與H共兩種，L為不可重復(fù)觸發(fā)，H為重復(fù)觸發(fā)，感應(yīng)角度處于100°以下。當(dāng)室內(nèi)溫度處于15℃～70℃之間時，傳感器均可正常工作。

3.2.2 測試結(jié)果

攝像頭安裝并啟動完成后，工作人員通過模擬外來人員非法入侵場景的方式，對智能家居安全預(yù)警功能的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示：當(dāng)外來人員非法入侵后，系統(tǒng)可在2s內(nèi)，自動實現(xiàn)預(yù)警，并立即通過手機(jī)短信的方式，提醒居住者室內(nèi)有風(fēng)險發(fā)生。居住者可通過Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)，調(diào)取監(jiān)控畫面，觀看室內(nèi)狀況，同時，通過報警的方式，保護(hù)家庭的財產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

綜上所述，本文以ZigBee物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)，具有燈光控制、電機(jī)控制、家電控制及安全預(yù)警等多種功能，能夠有效提高人民生活的智能化水平。有關(guān)領(lǐng)域可將傳感器、智能網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控平臺的設(shè)計作為重點，利用ZigBee技術(shù)，設(shè)計智能家居系統(tǒng)，以提高自身生活的便利性，提高家庭財產(chǎn)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天杰，姚程，曹筱歐，魏智博.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧家庭能源中心的設(shè)計與應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2016，（11）：241242.

[2]肖忠祥，戎騰學(xué)，范鵬召.基于ZigBee和Arduino開源平臺智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（07）：252254.