智能家居系統的設計與實現

趙翠芹，施運應，潘 潔，趙家祺，韋 魏

（1.河池學院 計算機與信息工程學院，廣西 宜州 546300；2.呈貢區洛龍街道辦事處黨政辦公室，云南 昆明 650500）

0 引 言

互聯網技術的廣泛應用改變了人們的生活方式。從最初的信息共享、郵件發送、聊天到如今的購物、日常消費、貿易交易等，“互聯網+”的世界體系已經建立。但這些遠遠不夠，除人之外的物體也需要傳遞、共享信息。物體苦于無生命無嘴巴，想要傳遞信息，就必須先獲取信息，然后通過通信手段進行傳輸。傳感器充當了物體的“神經元”，完成物體信息采集的使命，從而使物體有了“生命”；物體借助蜂窩網絡，RFID，WiFi，藍牙，ZigBee，LoRa，SigFox和NB-IoT等通信技術把獲取到的信息傳遞出去，這些通信技術充當了網絡層的“神經中樞”和“大腦”[1]，從而使物體有了“嘴巴”。隨著IoT技術的快速發展，入網終端設備已經從手機、電腦躍升到了普通物體。

IoT概念始于1999年，經過10年醞釀，到2009年IoT被正式列為中國五大新興戰略性產業之一[2]。至此，IoT行業可謂“枯木逢春”，進入了“火樹銀花”式的爆發期。各大企業、高校和科研院所紛紛站隊IoT，爭取IoT技術的話語權。該趨勢可從各種IoT科技的并購浪潮中略窺一二。滴滴、Uber合作發力車聯網；日本軟銀以320億美元收購英國ARM，高通以470億美元收購荷蘭NXP。并購層出不窮，有了IoT二維碼之后，人們過上了掃碼登錄、掃碼付款、掃碼上網、掃碼進店、掃描上車等“碼”上行動的生活。雙十一“剁手黨”們樂此不疲地買買買，海量交易帶來巨大的物流壓力，若在包裹上附上IoT標簽，則可利用IoT自動識別技術準確無誤地快速分揀包裹。如果說WiFi技術打通了網絡連接的最后一英寸，那么共享單車則解決了人們出行的最后一公里，無人超市、無人駕駛、智能家居等新概念、新產品層出不窮。從概念到落地生根，再到今天的遍地開花，IoT已經進入到人們生活的方方面面[3]。

智能家居作為IoT在家具行業的實際應用，已經引起了商家的高度關注[4]。本文針對智能家居應用場景設計了一個智能家居系統。該系統采用TI公司設計的SoC芯片作為主控芯片，其內核為8051的CC2530單片機，開發環境為IAR Embedded Workbench，開發語言為C語言。系統組建了具有1個協調器和3個終端節點的WSN。終端節點帶有人體傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器和紅外反射傳感器，分別采集相應環境溫度、濕度、光照等數據。終端節點采集數據后，通過ZigBee技術實時傳遞給協調器；協調器接收多終端數據，并區分信息來自哪個終端，然后通過串口將數據發送給上位機。在PC端使用Visual Studio 2017軟件環境、C語言開發了一個用戶界面框架IoT平臺，該界面簡單易操作。實現了通過ZigBee技術來感知環境情況，進而控制家用設備的目的，使人們的生活充滿了智慧。

1 總體系統架構

系統由WSN，串口和PC端IoT平臺組成，架構如圖1所示。協調器下面有2個終端，每個終端連接的外設有溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外反射傳感器和人體傳感器。終端將傳感器采集到的數據經過模數轉換后發送給協調器；協調器通過串口把接收到的終端數據轉發給上位機，最后通過上位機軟件將數據展示在用戶界面。

2 硬件設計

硬件部分主要包括ZigBee節點的核心板、傳感器等。ZigBee節點選用TI公司生產的51結構的CC2530F256RHAR芯片作為CPU。傳感器電路原理圖如圖2所示。

圖2 （a）為光敏傳感器的電路原理圖。U2為光敏感單元，是一個純電阻元件。U2端與3.3 V直流電壓相連接，另一端經過RC低通濾波電路后與CC2530連接。有光源照射時，U2的電阻大概為1～15 kΩ；無光源照射時，U2的電阻值大約為1～2 MΩ，可根據電路元件參數值計算出輸入到CC2530的電壓。

圖2（b）為紅外放射傳感器的電路原理圖。U1為紅外反射元件TLP521-1。1，2腳為發射端，3，4腳為接收端。發射端導通發射紅外光，在受到人體遮擋時反射，接收端接到紅外光信號導通，管腳3輸出高電平，導致三極管Q1導通，OUT端輸出高電平，LED燈亮。當有人體經過紅外反射傳感器時，OUT端輸出高電平，小燈亮；無人體經過時，OUT端輸出低電平，小燈滅。電路中的R1和R2是限流電阻，保護LED燈不被損壞。簡言之，紅外反射傳感器檢測到有人，電器自動打開；檢測到無人時，電器自動關閉，是一個真正的節能專家，用于點燈、防盜報警等設備。

圖2（c）為溫濕度傳感器DHT11電路連接圖。

3 軟件設計

軟件設計主要包括WSN協議棧應用程序編程和上位機IoT平臺開發兩部分。

3.1 WSN協議編程

WSN系統在IAR Embedded Workbench軟件下開發，借助ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧基礎編寫應用層源碼。為了更快更好地進行系統開發，需要理清協議棧的運行機理和應用層源碼的實現過程。

3.1.1 協議棧運行機理

ZigBee協議棧中提供了較多集成函數供開發者使用。如果對協議棧的機理和核心函數有一個清晰的認識，那么在項目開發過程中，就可以充分利用協議棧提供的函數實現項目功能。協議棧工作機理如下[3]：

操作系統抽象層（OSAL）的入口為文件ZMain.c中的main函數。在main函數里，系統初始化函數osal_init_system （），啟動系統osal_start_system（）函數。osal_init_system（）函數調用任務初始化函數osalInitTasks（），osalInitTasks（）函數負責給每個任務分配一個任務號taskID。osal_start_system（）函數可調用osal_run_system（）函數。追蹤osal_run_system函數后，協議棧中有三個核心變量，分別是保存任務總個數的tasksCnt，指向事件表首地址的指針tasksEvent和tasksArr。tasksArr是一個數組，數組里的每項都是一個函數指針，指向事件處理函數。任務事件處理函數添加在tasksArr數組的末尾，應用層初始化函數添加在osalInitTasks函數末尾。tasksArr數組的下標和osalInitTasks函數里的taskID一一對應。osal_run_system函數的功能是不斷查看事件表，如果有事件發生，就處理執行相應的任務事件處理函數。

3.1.2 應用層程序流程

WSN中有協調器和終端節點，紅外反射傳感器接P0_5，溫濕度傳感器接P0_7，光敏傳感器接P0_1，人體傳感器接P1_1，從這四個端口獲取數據。節點的工作流程如圖3所示。整個工作流程主要分為任務初始化函數和任務事件處理函數。

節點上電復位后，在初始化函數中定義具有SimpleDescriptionFormat_t簡單描述格式的節點描述符、串口結構體變量，配置串口參數、I/O口的方向寄存器、狀態寄存器和輸入輸出模式寄存器等。協調器上電初始化后組建網絡，并以AddrBroadcast廣播模式發送網絡信息給終端節點。當有終端節點入網，并有外來消息時，采用osal_msg_receive函數接收消息隊列中的消息，并對接收到的消息進行強制類型轉換，轉換為afIncomingMSGPacket_t類型指針，并對消息頭進行判斷。如果是AF_INCOMING_MSG_CMD無線數據，則調用接收消息處理函數進行處理；如果是網絡狀態ZDO_STATE_CHANGE發生改變，則開啟相應的定時器；如果是串口指令CMD_SERIAL_MSG，則按串口指令做相應操作。在接收消息處理函數中，根據接收消息的clusterId來區分信號來自哪個終端，并用osal_memcpy（）函數把終端號和數據復制到緩沖區，通過串口函數HalUARTWrite（）把數據發送給PC機。終端節點主要負責數據采集，紅外反射傳感器和人體傳感器可直接采用數字方式獲取數據，只需讀取相應IO口的狀態即可得到所需數據。光敏傳感器獲取數據需要模數轉換器將模擬數據轉換為數字數據，設置ADC輸入通道ADCCFG = 0x02，使用單次轉換，參考電壓為電源電壓3.3 V，對P0_1采樣，配置寄存器ADCCON3= 0x81。DHT11以單總線方式與CC2530進行數據傳輸，需傳輸的數據有40位，具體實現流程如圖4所示。

圖3 節點工作流程

3.2 上位機IoT平臺

上位機IoT平臺采用C語言在Visual Studio 2017軟件環境中開發。為了給使用者提供一個方便易操作的界面，窗口界面添加了ComboBox組合框，Label標簽，PictureBox控件，GroupBox，Button按鈕和TextBox文本框等控件，設置了控件的相應name屬性值和Text屬性值，編寫對應控件的回調函數，就可以把串口中獲取到的數據展示在用戶界面中。數據從串口中獲取，需要添加System.IO.Ports和System.Data名稱空間。System.IO.Ports中提供了SerialPort類，該類實現了串口資源操作相關功能。用SerialPort（）構造函數初始化一個實例，接著調用SerialPort方法GetPortNames（）獲取當前計算機串口名稱數組，并配置與協調器端相同的串口參數。利用串口的ReadChar（）方法讀取、解析串口數據，展示在用戶界面。

圖4 溫濕度數據采集流程

4 系統實現

硬件電路如圖5所示。該電路由1個協調器和3個終端節點組成。協調器上電后進行組網，并以廣播方式向外發送消息。終端節點上電后加入網，并以單播方式把采集到的數據周期性地上報給協調器。PC端打開串口調試助手，設置串口相關參數，如圖6所示，點擊“打開串口”即可收到數據。串口接收的數據是字符串數組，需要解析，如串口接收到“T1DR01DG061LW20CS21%”，字符數組下標0～2分別代表終端節點號數據頭、終端編號和終端節點號數據尾部；數組下標3～6分別代表人體傳感器數據頭、人體傳感器是否檢測到有人、紅外反射傳感器監控的電器狀態和數據尾部；數組下標7～11分別代表光敏傳感器數據頭、光照強度和數據尾；數組下標12～15分別代表溫度傳感器數據頭、溫度數據和數據尾；數組下標16～19分別代表濕度傳感器數據頭、濕度數據和數據尾。經數據解析后，將所獲取數據展示在用戶界面，如圖7所示。

圖5 硬件電路連接

圖6 串口接收數據

圖7 用戶界面數據顯示

5 結 語

本文在TI公司ZigBee協議棧工程項目的基礎上，搭建了一個智能家居IoT系統。通過終端設備采集數據，并定時發送數據給協調器，協調器最終將接收到的數據轉發給PC機。PC端采用結合了Java和C++優勢的C語言開發了一個IoT數據展示平臺，把遠程終端采集到的數據展示在用戶界面，用戶可根據界面顯示數據，了解監控場景的溫濕度、光照和家電狀態等情況。該系統具有操作簡單、成本低和功耗低等特點，具有一定的使用價值。

[1]郎為民.大話物聯網[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2]趙翠芹.應用需求牽引“物聯網導論”課程教學改革[J].電腦知識與技術，2016，12（17）：148-149.

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