张国扬，朱树先，王 康，沈心怡

（苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州　215009）

基于ZigBee的嵌入式智能家居管理系统的设计和实现

张国扬，朱树先，王 康，沈心怡

（苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009）

基于设计以ZigBee为基础的嵌入式智能家居系统的目的，采用了以ARM Cortex TM-A8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片为硬件平台，通过ZigBee自组织方式组网以及SQLite作为嵌入式数据库的方法，实现了ZigBee通信网络、嵌入式网关、Web服务器、手机应用交互程序之间的相互通信以及对系统内部数据的管理，结合实际应用，此种方法设计的嵌入式智能家居系统有效。

智能家居；ZigBee；嵌入式网关；SQLite；WEB服务器

随着人们生活水平的提高、消费观念的转变，以及智能家居技术的成熟、物联网的发展，实现更加自动化、舒适化、安全化、节能化的家居生活已成为可能。目前通常把智能家居定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。智能家居的基本目标是为消费者创造一个舒适、安全、方便的生活环境。就目前的发展趋势分析，预计在今后的几年内全世界将有近亿的家庭构建智能、舒适、高效的家居生活。

智能家居包含3种组网形式：集中布线技术、X10电力载波技术、无线RF技术。其中集中布线技术虽最稳定，但其成本高、布线复杂、工期长，而国内X10电力载波技术存在着电网信号易波动，系统的稳定性较差［1］。对于无线RF技术，ZigBee无线通信技术具有低功耗、低数据速率、低成本、安全性能高的特点，主要应用于自动控制和远程控制领域；以直序扩频技术提高抗干扰能力与数据传输可靠性；采用自组织方式组网，传输距离在110 m左右，但是通过灵活的网络结构可以增加传输距离。综上所述，ZigBee无线通信技术非常适合家庭内部组网，并且使智能家居系统更加安全与智能，因此，本系统采用 ZigBee无线通信技术进行智能家居的组网。

1　系统特点

本系统综合了以往智能家居系统的优点，从新的角度出发设计一个完整的智能家居系统，考虑到实用性与良好的用户体验，该系统的具体功能如下。1）居住模式的一键选择：一键选择居家模式、睡眠模式、离家模式等居住模式，在每个模式下可以设定相应的预设值，从而优化用户体验，具有简化操作的特点。2）家用电器的综合监控：对系统内的相关家用电器的设置参数进行自动检测，可根据检测结果做出相应的反应，从而实现系统内家居电器的监控。3）室内环境的信息采集：定期采集室内的环境参数，主要监测湿度、温度、CO2含量，并将采集到的环境传递到控制系统进行进一步处理。4）自动报警与安全防盗：当检测到的环境参数超出设定的阀值，或通过人脸识别系统监测到陌生人未经允许入室，控制系统会做出相应的反应，并将警报信息发送到家庭成员的客户端上。5）视频采集的点对点处理：采用P2P网络，实现监控设备的视频采集、压缩与解压缩处理、快速传送。

2　系统组成

本系统由ZigBee通信网络、嵌入式网关、Web服务器、手机应用交互程序和数据库SQLite5个部分组成，系统组成结构图如图1所示。其中ZigBee通信网络作为内网通信使用，用于家庭内部各种家电设备互联；网关负责家庭内部网络和外部网的连接和和协议转换，使用户可以通过外部网络对家庭内部网络中的设备进行远程监控［2］；WEB服务器实现信息的远程信息与本地信息之间的相互交换；手机应用交互程序实现居住模式的一键选择、家用电器的参数显示、室内环境的信息显示、自动报警信息的接收、视频采集的点对点处理；SQLite数据库负责家用电器状态数据、温湿度数据、用户动作数据的存储。

图1　系统组成结构图Fig．1　The structure of system composition

2.1ZigBee无线通信网络

ZigBee无线通信网络主要有两个作用，其一为检测各环境参数，并将其传递到服务器上，经过服务器分析之后，发送指令从而打开或关闭监控点，达到智能控制的目的；其二为对家庭内部各部分的远程控制，如室内的灯光、温湿度、电器、安防警报等。

网络拓扑结构主要有星形结构、树形结构和网络结构3种，考虑到网络的传输速率以及稳定性等，本系统采用树形结构作为家居设备节点的网络构架。树形结构的网络连接方式是在星形结构基础上进一步拓展起来的，树形结构中设计了转发节点，主节点和各子节点间的通信依靠转发节点作为中继，每个转发节点和它对应的叶子节点构成一个子星形拓扑结构［3］。

本系统的ZigBee无线通信网络由协调器、路由节点、终端节点组成，其结构如图2所示。其中协调器为树形拓扑结构的主节点，路由节点为树形拓扑结构的转发节点，作为通信转发的中继，终端节点为叶子节点，负责数据的采集与设备的控制。协调器主要完成3个部分的工作：1）初始化组成树形拓扑。2）将各个终端节点采集到的信息并解析，传送给家庭网关，从而实现对数据的进一步分析和操作。3）接收网关传输过来的控制命令并封装成协议包，将其通过路由节点送到特定的终端节点，从而实现用户远程控制相应的电器。

图2　ZigBee无线通信网络架构Fig．2　The communication network architecture of ZigBee wireless

本系统采用CC2530芯片作为ZigBee节点的主控芯片。CC2530是 1款针对 IEEE 802．15、ZigBee RF4CE和 Smart Energy的单芯片ZigBee系统解决方案。具有256 KB大容量闪存，非常适合于ZigBee PRO的应用［4］。

2.2嵌入式网关设计

本系统的嵌入式家庭网关主要进行ZigBee协议与TCP/ IP协议之间信息的传输，用户通过手机应用交互程序在外网中远程登陆到Web服务器中，向家庭内部的局域网发送控制信息，依据TCP/IP协议进行传输，到达网关后，网关存储信息，并将信息包装成可由ZigBee协议进行传输的数据类型，向家庭内部网络发送信息；同时家庭内部网络也可以把处理后的反馈信息通过以上路径发送给网关，网关存储信息，并将其包装成可以在外网中传输的数据类型，最后通过TCP/IP协议反应到手机应用交互程序中。总的来说，家庭网关在智能家居系统中起到了连接外网和内部网络，完成信息传输等核心功能。图3为家庭网关功能实现结构图。

图3　家庭网关功能实现结构图Fig．3　The structure of home gateway function implementation

2.3WEB服务器

手机应用交互程序输入WEB服务器的IP地址向WEB服务器发送http登陆请求，服务器响应请求后返回跳转到手机登陆界面，用户输入账号和密码后手机应用程序将向服务器提交表单，服务器根据表单内容调用相应的CGI脚本执行，若登陆成功则进入手机交互应用程序。同理，在点击手机交互应用程序的按钮时，将触发服务器调用相应的CGI脚本。图4为手机应用程序与WEB服务器相互访问框图，最终完成手机应用程序登录认证及智能家居设备远程控制等功能。

图4　手机应用程序与WEB服务器通信流程图Fig．4　Theflowchartofmobileapplicationand WEBservercommunication

采用SQLite来搭建系统数据库，包含3张数据表：1）家用电器状态数据表，定时存储系统内家电设备的状态，以便查询和反馈；2）温湿度数据表，定时存储各节点的温湿度数据供查询及绘制曲线；3）用户动作数据表，当用户发生动作时记录用户的操作时间、操作内容、操作节点，以供为优化系统提供数据依据。

CGI（Common Gateway Interface）是外部应用程序与Web服务器之间的接口标准，是在CGI程序和Web服务器之间传递信息的规程。在物理上是一段程序，运行在服务器上，提供同客户端HTML页面的接口。

2.4手机应用交互程序

手机应用交互程序主要功能包括：1）居住模式的一键选择：一键选择居家模式、睡眠模式、离家模式等居住模式，在每个模式下可以设定相应的预设值，从而优化用户体验，具有简化操作的特点。2）家用电器的参数显示：对系统内的相关家用电器的设置参数进行实时地显示。3）室内环境的信息显示：显示室内的环境参数，主要有湿度、温度、CO2含量，并将采集到的环境传递到控制系统进行进一步处理。4）自动报警信息的接收：接收控制系统传送的警报信息。5）视频采集的点对点处理：向主控服务器发送监控请求、视频解压缩、播放和保存视频以及图片等功能，实现对家庭的实时视频监控。图3为手机应用交互程序界面的部分截图。

图5　手机应用交互程序界面部分截图Fig．5　The screenshot of mobile application interaction interface program

3　系统硬件构成

3.1ZigBee模块硬件构成

ZigBee模块分为两类，其一为监控模块，以CC2530芯片为基础的主控芯片连接着DH11芯片为基础的传感器、AMS1117芯片为基础的电源模块和射频模块；其二为控制模块，以 CC2530芯片为基础的主控芯片连接着继电器、AMS1117芯片为基础的电源模块和射频模块。两者的主要区别在于监控模块负责采集数据并发送出去，控制模块负责接收命令并进行相应设备的控制。其结构图如图6所示。

图6　ZigBee网络硬件构成图Fig．6　The structure of ZigBee network hardware

本系统选用了CC2530作为主控芯片，核心板底连接了一个RFID射频收发器，利用2．4 GHz频段进行控制命令的转发工作［5］。220 V市值电压经过变压器转换为12 V电压，再由AMS1117稳压芯片将12 V电压转换为3．3 V电压，为模块提供稳定的电流。

监控ZigBee模块连接着DH11芯片为基础的传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，传感器与一个高性能8位单片机相连接，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可以实现温湿度的采集等。

控制ZigBee模块连接着继电器，电器控制由继电器模块组完成，继电器模块组以51单片机作为控制芯片，串口RXD，TXD连接另一个RFID接收模块组，51芯片工作内容为操控RFID接收端接收RFID发射端发射的指令，完成继电器模块组的操控［5］。继电器挂载着灯光照明模块、电动窗帘模块、门禁系统模块等模块，完成对家庭设备的控制。

3.2ZigBee网关硬件构成

本系统网关设计采用嵌入式ARM Cortex TM-A8开发平台，核心部分为三星公司的的S5PV210处理器，S5PV210处理器主频可达1 GHz，32位内部总线结构，可实现2000DMIPS（即每秒运算2亿条指令集）的高性能运算能力，对于缓存方面，S5PV210采用了32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，同时其内建MFC，具有强大的硬件编码功能，其存储控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2类型的RAM，可以用于文件系统的挂载，Flash支持Nandflash，Norflash，OneNand等，S5PV210还提供了丰富的外围接口，为拓展该处理器的功能提供了极大的方便。图7为网关硬件结构图，图8为网关实物图。

4　结　论

文中提出了一种基于ZigBee和WEB服务器的嵌入式智能家居管理系统设计方案。给出了ZigBee通信网络、嵌入式网关、Web服务器、手机应用交互程序之间相互通信的流程，并说明了SQLite服务器的构架，构建了以ARM Cortex TMA8 S5PV210芯片及CC2530 ZigBee芯片为主的硬件平台。经测验，验证了本系统的可行性，并可通过手机应用交互程序实现对智能家居管理系统的控制、管理。

图7　网关硬件结构图Fig．7　The structure of gateway hardware

图8　网关实物图Fig．8　The picture of the gateway

［1］王灵芝，叶关霞，张建造．基于Zigbee及BOA服务器的嵌人式智能家居的设计 ［J］．闽南师范大学学报:自然科学版，2014（3）：69-73．

［2］李宝山，刘夏辰．基于Zigbee技术的嵌入式智能家庭网关的设计［J］．计算机世界，2014:102-103．

［3］卫兵，郭玉堂，华玉鹏，等．一种基于无线传感网的新型智能家居控制系统［J］．网络与通信，2013（23）：61-64．

［4］闫伟，郝卫东，陈志丹，等．基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计［J］．网络与通信，2014（16）：45-46，50．

［5］李社蕾，周磊，刘杰，等．基于物联网的智能家居系统［J］．物联网技术，2014（9）：40-43．

［6］李琪，秦会斌，杨永舒，等．基于Android平台的智能家居系统设计［J］．电子设计工程，2014（24）:52-54，57．

Design and implementation of embedded intelligent home furnishing management system based on ZigBee

ZHANG Guo-yang，ZHU Shu-xian，WANG Kang，SHEN Xin-yi
（School of Electronic&Information Engineering，USTS，Suzhou 215009，China）

Based on the purpose of designing embedded intelligent home furnishing system based on the ZigBee．The system realized the ZigBee communication network，the embedded gateway，Web server，mobile phone application interaction between communication and the management of the system internal data by using ARM Cortex TM-A8 S5PV210 as hardware platform，ZigBee network self-organizing manner and using SQLite as an embedded database．Combined with practical application，this kind of method to design an embedded intelligent home furnishing system is fully useful．

intelligent home furnishing；ZigBee；embedded gateway；SQLite；the WEB server

TP273+．5

A

1674－6236（2016）02-0154-03

2015-02-07稿件编号：201502074

张国扬（1991—），男，江苏淮安人。研究方向：无线传感器网络与嵌入式系统设计。