摘 要： 根據ZigBee技術及家庭控制網絡通信的特點，設計出由ZigBee無線節點和嵌入式網關組成的智能家居系統。系統中引入多種傳感器采集環境信息，能夠遠程控制家電設備，用戶能通過手機APP和短信息方式查看系統信息并接收報警。
關鍵詞： 物聯網；智能家居；ZigBee；無線傳感網絡
0 引言
科技的進步以及人們物質生活水平的提高，逐漸推動了智能家居概念的出現。現在，身為物聯網的十大應用領域之一，智能家居的應用與生活息息相關。各種無線通信技術的不斷發展，使家庭智能系統的智能化和遠程控制成為一種現實[1]。對于家庭網絡通信而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，網絡容量大，家電設備多，所以要求信息實時性好、時延短、成本低[2]。ZigBee作為一種新興無線網絡通信技術，它的低成本、低功耗和較寬的覆蓋范圍，使其應用在智能家居領域具有很大的優勢[3]。針對目前市場上的智能家居產品結構復雜、通用性能不強及用戶體驗不佳等問題，本文設計并實現了一種更為完善的智能家居系統。
1 系統整體方案設計
1.1 系統構成
智能家居系統主要由家庭網關、ZigBee模塊、GSM／GPRS模塊、Wi-Fi模塊、液晶觸摸屏、各類傳感器以及手機軟件終端等組成。家庭網關是整個系統的核心控制部分，其中ZigBee協調器負責無線采集和控制網絡的鏈接、數據的分析以及指令的下達；ZigBee各模塊則是采集環境信息并根據指令對底層設備進行控制。系統總體框圖如圖1所示。
用戶可通過遠程網絡或者手機軟件把控制命令發送給家庭網關，由ZigBee協調器對下面負責環境信息采集或控制家電的各個ZigBee模塊進行控制，家庭網關也能通過GPRS或Wi-Fi向手機軟件反饋設備運行狀況和采集到的數據。當設置在家中的傳感器探測到有異常情況時，不僅家中的報警器會開始報警，系統還會通過GSM／GPRS模塊向用戶的手機發送報警短信。
1.2 ZigBee網絡拓撲結構
ZigBee的網絡拓撲結構主要有3種：星形、樹形、網形。星形網結構簡單，成本低，但是通信會受到距離的限制，覆蓋范圍小；樹形網存在路由，所以覆蓋范圍比星形網要大，但是一旦某個路由發生故障，與其相連的節點就會從網絡中斷開；網形網結構較復雜，覆蓋范圍大，可靠性能較高。
居住面積不大的家庭用星形網有較高的性價比，如果居住面積較大則用網形網絡會有更好的效果。本智能家居系統選用星形網絡建立拓撲結構。
2 系統硬件設計
2.1家庭網關主控制器
本智能家居系統的設計中，網關主控制器的控制芯片采用了三星公司的S3C6410，它是16/32位RISC微處理器，采用ARM1176JZF-S內核，主頻達到667 MHz，能夠滿足系統對實時性的要求。S3C6410支持最大分辨率為1 024×1 024的TFT 24 bit LCD屏，具有2路IIC、4路UART以及全功能的SPI，它還有兩個PCM Audio接口、兩個USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進行外圍擴展。S3C6410價格低、性能高且功耗低，完全符合本設計要求。在添加了電源模塊、GSM／GPRS模塊、觸摸屏以及Wi-Fi模塊等外圍電路后，便組成了家庭網關主控制器。網關內核心模塊關系圖如圖2所示。
2.2 ZigBee模塊
本設計中ZigBee模塊分為射頻收發模塊和底層控制板兩個部分。
射頻收發模塊采用美國德州儀器公司的CC2530芯片作為控制芯片。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統解決方案，它能夠用低成本的材料組建強大的網絡節點，能夠友好地支持低功耗無線通信。底層控制板與射頻收發模塊相連，上面有一個8位撥碼開關輸入、2路數字量輸入、2路數字量輸出、1路模擬量輸入、1路模擬量輸出以及1個IIC總線接口。其中，ZigBee協調器模塊通過RS232串口與家庭網關相連接。底層控制板的通用性良好，根據8位撥碼開關可選擇自身的功能，用戶能夠根據需求對底層的節點進行擴展。
2.3 GSM／GPRS模塊
本設計中采用了晨訊科技的GSM／GPRS模塊SIM300。SIM300是小體積即插即用模組中完善的GSM／GPRS解決方案，它內嵌強大的TCP／IP協議棧，能夠以小尺寸和低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動附著在GPRS網絡上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時收發遠端用戶設備和控制中心的數據[4]。網關通過RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話、發短信。
3 系統軟件設計
系統軟件的設計包含3個部分：網關控制部分、ZigBee網絡部分以及手機應用軟件。系統軟件結構圖如圖3所示。
3.1 網關主控制器的程序設計
網關主控制器采用Linux系統作為開發平臺。它的驅動程序非常豐富，支持多任務及各種主流的硬件設備，用戶可以根據自己的需求對它進行修改。
網關初始化之后可以接收來自手機端和觸摸屏的命令及ZigBee協調器的數據，之后根據命令和對數據分析的結果通過ZigBee協調器向底層設備發送控制指令，并將底層設備的運行狀態通過Wi-Fi發送至手機軟件。網關的主程序流程圖如圖4所示。
3.2 ZigBee模塊的程序設計
ZigBee模塊的程序包含了協調器和子節點兩個部分。
協調器是整個ZigBee網絡的核心，負責整個ZigBee網絡的建立、節點之間信息的傳遞以及和家庭網關交換數據。
協調器在初始化之后開始自動掃描，若有節點申請加入網絡，協調器會檢查該節點是否入過網，若是沒有，協調器會給該節點分配一個16位的網絡地址和節點編號并在節點地址表中增加該節點的信息。協調器會收集子節點發送的數據，并按設定好的周期和數據格式將其送至家庭網關；家庭網關向協調器傳達命令后，協調器通過分析再將命令轉發至相應的節點。協調器的程序流程圖如圖5所示。
子節點由環境數據采集、安防報警和家電控制3個類型組成。子節點初始化之后向協調器申請入網，申請通過后會被分配一個網絡地址和一個獨有的編號，接著子節點會開始與協調器進行數據信息交換。環境采集節點通過傳感器周期性地采集溫濕度、光照度以及空氣質量等數據并將這些數據上傳至協調器，若是某一數據超過了設定范圍，便會發出相應的設備控制命令使之回到設定范圍內。安防報警節點則包含玻璃破碎、煙霧、二氧化碳濃度、燃氣、紅外對射等傳感設備，當某一節點觸發了報警信息，則該節點會將此信息上傳至協調器并啟動警報。家電控制節點會將其連接的家電運行狀況上傳至協調器，并通過網關和協調器的控制命令對家電進行控制。
3.3 應用控制軟件的設計
本系統的應用軟件便是基于Android系統設計的，開發平臺為Eclipse。手機軟件包含界面美化、系統模式切換、報警短信接收設置、節點信息查看以及家電控制幾個部分。軟件界面設計盡可能簡單、美觀且人性化，軟件截圖如圖6所示。
其中，系統模式分為離家／在家、白天／夜晚和正常／睡眠6種。當選擇離家模式時，系統會將所有的安防報警節點全部啟用，并在觸發報警后將報警短信發送至設定好的手機號碼；選擇在家模式時，系統會部分布防并通過警報器來報警；白天／夜晚模式通過光照度來自動切換，系統也會根據光照度來對窗簾進行控制；在睡眠模式，家中的紅外感應燈開始啟用，并且設定為弱光避免刺激眼睛。
通過Wi-Fi與家庭網關進行連接，用戶不僅可以根據設定在手機軟件上分房間查看各節點設備的工作狀況和采集到的數據，而且還能直接通過手機軟件對接入系統的家電進行控制。
4 系統模擬測試
將設計好的系統搭建在一個小屋當中，硬件全部開啟之后打開手機軟件連接Wi-Fi并登入系統。子節點采集到的環境數據在觸摸屏和手機上都能查看到，并且通過觸摸屏和手機下達的指令能夠很好地執行；模式切換時節點工作無異狀，安防報警正常工作。經過24小時測試，該系統穩定性良好，各項性能也都符合設計的要求。實際搭建好的系統如圖7所示。
5 結論
本文設計了一種基于ZigBee技術的智能家居系統，詳細介紹了系統的整體構架，給出了硬件設備和軟件的實現方法。相對于傳統的智能家居系統而言，本設計結構簡單、成本較低、便于擴展且避免了復雜的布線問題；同時因智能手機軟件的加入，使整個系統的操作變得更加便利，用戶體驗度提高。基于ZigBee底層控制板的通用性，用戶能夠根據需求改變節點的功能，更加人性化。總體來說，本系統具有良好的實用性、穩定性和安全性，很適合在家庭、公司等場合使用。
參考文獻
[1] 李新春，趙雙華.基于ARM與GPRS的家庭智能控制系統的設計與實現[J].計算機系統應用，2010，19（5）：227-229.
[2] 徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于ZigBee的智能家居控制系統的研究與設計[J].電子技術應用，2013，39（8）：80-83.
[3] CHALLOO R， OLADEINDE A， YILMAZER N， et al. An overview and assessment of wireless technologies and coexistence of ZigBee， bluetooth and Wi-Fi devices[J]. Procedia Computer Science，2012（12）：386-391.
[4] 陳滟濤，楊俊起，康潤生，等.基于SIM300的短信傳輸系統的設計與實現[J].計算機工程與科學，2008，30（3）：156-158.