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基于ZigBee的轻智能家居监控系统的设计

2017-06-15张江山++熊哲源

科技创新导报 2017年11期
关键词:ZigBee技术监控系统

张江山++熊哲源

DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.157

摘 要:针对传统智能家居系统存在成本高、设备复杂、布局不灵活的局限性,该文提出了一种基于ZigBee技术的轻智能家居监控系统设计方案。运用ZigBee技术XBee模块组建家庭内网,S3C6410芯片搭载Linux操作系统设计网关,利用以太网作为通信外网,智能手机作为监控终端,实现了远程家居环境监测、安全报警和家电控制的功能。该监控系统具有轻巧、功耗低、成本低、操作方便、布置灵活、功能可自由搭配等优点,具有一定的推广应用价值。

关键词:轻智能家居 ZIGBEE技术 XBee 监控系统

中图分类号:TN925 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)04(b)-0157-04

Design of Light Intelligent Home Monitoring System Based on ZigBee

Zhang Jiangshan Xiong Zheyuan

(Jiangxi Police Institute,Nanchang Jiangxi,103003,China)

Abstract:For the limitations existing in traditional smart home, such as high cost, complex equipment, inflexibility of equipment layout and so on, a design scheme of remote monitoring system of light smart home based on ZigBee technology is put forward. Internal network of smart home is constructed based on XBee module, and then the gateway is designed with S3C6410 chip transplanted into Linux operating system, using Ethernet as the external network of smart home, using intelligent mobile phone as monitoring terminal. The functions of the system conclude real-time home environmental remote monitoring, warning alarm, and home appliance control. The system has the advantages of low power consumption, light, Low cost, convenient operation, flexible layout and free combination of functions.it has certain application and dissemination value.

Key Words:Light smart home;ZigBee technology;XBee;Monitoring system

近年來,随着电子通信技术和网络技术不断发展及生活水平的提高,家居系统的智能化、轻量化、操作便利越来越受到人们的关注。轻智能家居是指无需施工部署、功能可自由搭配组合、价格相对便宜、可直接面对最终消费者销售的产品或系统[1]。轻智能家居系统与传统智能家居相比具有易安装、易交互、节能、轻等优点,能使人们家居生巧活更安全、舒适和便利[2]。基于此,文章提出了一种基于ZigBee技术的轻智能家居远程监控系统设计方案。选用S3C6410芯片搭载Linux操作系统进行家庭网关设计,利用体积小、功耗低、寿命长的ZigBee技术XBee模块和传感器构建家庭内网,实现家居环境信息的采集和控制命令的传输,以太网通信系统作为家庭外网实现数据远距离传输,智能手机作为监控终端[3],编写APP软件装载手机实现交互。该系统具有轻巧、安装简单、布置灵活、成本低、操作直观简便[4]的特点。

1 系统总体方案设计

基于ZigBee的轻智能家居监控系统采用模块化结构设计,主要包括监控节点模块、网关节点模块、终端监控模块3部分,ZigBee无线传感网络采用星型拓扑结构[5]。系统总体结构如图1所示。监控节点模块是ZigBee无线传感网络的终端节点,它被部署在家庭室内,通过与之相连的传感器采集家庭环境信息,如温湿度、光强度,及安防状态信息,如可燃气体泄漏、盗贼入侵,同时将这些信息发送给网关协调器节点。监控节点通过无线传感网络接收网关节点转发过来的控制指令并执行。网关模块是该系统的核心,一方面负责建立ZigBee和Internet混合通信网络实现模块之间通信,一方面负责收发数据并处理和解析。终端监控模块采用智能手机,通过它可及时得到家中实时环境信息、安防报警信息实现家居远程监控,向智能家电发送控制指令实现家居远程控制。

该系统采用的模块化设计和ZigBee技术无线组网,具有安装部署简单、功能可以自由搭配、功耗低的特点,符合轻智能家居的要求。

2 系统硬件设计

2.1 监控节点模块硬件设计

监控节点模块是ZigBee无线传感网络的基本组成单元。主要实现各种数据采集、无线连接和运行命令控制,从功能上划分为传感器模块、家电控制模块、主控制器模块、无线传输模块和电源模块。监控节点的硬件结构框图如图2所示。

主控制模块是监控节点的核心部分,一方面负责对传感器的数据进行采集和处理,一方面执行经网关转发过来的控制命令。由于连接传感器设备比较多、数据量大,该设计主控制器选用8位的ATmega128微控制器。它的内部集成了128 kB的可编程Flash、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM,能够暂存最近几次传感器采样数据值;具有2个UART接口,可以直接与XBEE模块相连;有53个通用I/O口接线和8路模拟输入接口,可以满足系统功能扩展需求;使用工作电压3.3 V,工作时钟频率8 MHz,有利于实现系统低功耗。

无线通信模块主要负责监控节点和网关控制器之间无线通信。针对轻智能家居系统低功耗、信号稳定要求,选用MaxStream公司基于ZigBee技术的XBee-pro构建家庭内网,IEEE 802.15.4/ZigBee协议构建无线传感器网络,XBee-proRF具有低功耗、稳定性好、网络容量大的优点[6]。最大发射功率50 mW,室内传输距离120 m,室外传输距离可达1 500 m,接收灵敏度-92 dBm。它与ATmega128控制器可以通过UART接口直接相连,实现无线通信功能[4]。内置有ZigbeePRO协议栈。可以直接通过X-CTU软件配置进行组网通信,降低了设计难度。

传感器模块主要是实现对各种家居信息的检测,根据功能不同分为环境信息检测模块和安防信息检测模块。环境信息检测模块选用温湿度传感器SHT11和光敏电阻5516来检测家庭室内温度、湿度及光强,安防信息检测模块选用可燃气体传感器MQ_2和热释红外传感器LH1778来检测家庭室内可燃气体值和盗贼入侵情况。传感模块检测信息送至主控制器分析处理,然后通过无线传感网络送至网关控制器,网关控制器将接收数据经以太网络传送到远端的智能手机,实现远程监控及报警功能。

家电控制模块主要根据设备功能通过驱动电路实现设备控制,该系统设计主要实现电动窗帘、照明灯远程控制和声光报警装置、排气扇智能控制。电动窗帘控制就是远端电风扇控制命令经Internet和ZigBee混合网传输至连接有步进电机的控制节点,之后控制节点的主控制器输出脉冲调制信号经过驱动电路控制步进电机的的运行状态(方向、速度)来实现。电动窗帘的驱动电路选用L298驱动芯片,它与主控制器的接口电路如图3所示。照明灯通过继电器电路来实现开关控制。声光报警装置和排气扇直接与控制器相连,当监控节点检测到危险情况时由控制器直接启动。不同的家电要设计不同的识别码实现对家电识别,该系统电动窗帘的识别码设计为080,照明灯开关识别码为081,声光报警装置识别码为082,排气扇识别码为083。

2.2 网关模块硬件设计

网关模块是系统的核心部件,负责数据处理、指令分析和ZigBee-Internet混合通信网络的建立。它以ARM11处理器为中心,由XBee-PRO模块、以太网模块、电源模块组成。网关硬件结构如图4所示。

网关模块对中央微处理器处理速度要求比较高,所有的设备控制、任务调度、通信协议转换、数据收发和数据管理等任务都需要中央微处理器。再从功耗、操作系统的支持和可扩性方面考虑,该设计选用32位的ARM11处理器S3C6410芯片为主处理器。以太网模块选用DP83848芯片,它可以直接与ARM的引脚相连实现数据远程传输。XBee通信模块和监控节点一样选用XBee-pro,负责建立ZigBee无线传感网络,将所有的监控节点加入到网络中来,网络组建成功后,汇集所有监控节点采集的环境信息传输给ARM11处理器进行数据处理与分析,将ARM处理器接收到的远端用户的控制命令传输给监控节点。

3 软件设计

基于ZigBee的轻智能家居远程监控系统的软件设计的工作主要包括监控节点、网关节点、用户手机端监控软件3部分,完成传感器数据实时采集、传输及显示、家电控制和报警功能。

3.1 监控节点软件设计

监控节点程序设计基于AVR STUDIO IDE开发环境,利用C/C++语言编写。程序主要完成系统初始化、加入传感网络、数据采集传输和家电控制功能。

系统上电后,监控点程序首先执行系统初始化,对I/O口、MAC层、网络层初始化,加入网络,打开总中断,接着进入主循环程序执行数据采集功能和家电控制功能。监控节点不断轮询各传感器采集数据,并将采集数据值存储在不同内部存储器中。同时计算最近几次数据值的算术平均值,并将结果上传至家庭网关控制器。对于安防信息设定一个阀值与平均值比较,如果平均值大于阀值,表明有危险情况发生,则监控节点控制器直接进入中断处理流程,启动声光报警装置,并根据信息存储器地址判断可燃气体泄漏险情启动排气扇。同时上传报警信息到网关模块传送至远端的用户。对于经网关控制器传送过来的远端用户家电控制命令,ZigBee子节点则在无线数据接收中断处理流程中直接对指令进行分析,根据识别码实现相关家电控制。监控节点程序流程如图5所示。

3.2 网关节点程序设计

网关节点程序设计是在Linux环境下,利用C语言开发。主要工作包括两方面,一方面是实现与ZigBee网络互联;另一方面是实现Linux系统与以太网/GPRS网络的命令控制字和数据传输。设计流程如图6所示。

网关主程序首先执行系统初始化,对I/O口、MAC层、网络层初始化,建立一个ZigBee以太网混合通信网络,打开总中断,使系统处于正常通信状态。接着执行數据收发死循环程序,主接收来自控制节点传感器的数据,解析数据的地址并且完成数据校验,如果数据传送正确,则将该数据上传至以太网模块。网关控制器固定周期读取以太网接接口的数据,若接收的数据正确,则将该数据发送给识别码对应控制器节点。

为了提高系统运行效率,该程序设计利用Linux QT多线程技术进行开发,把应用程序分解为环境监测线程、安防报警线程和智能家电线程。此外,程序设计还进行了网关底层驱动程序设计,Linux操作系统的搭建和移植。

3.3 智能手机远程监控软件设计

监控软件是基于Android平台开发的APP软件,采用Eclipse工具中的Android插件设计,程序主要使用java语言编写,调用Android部分API函数库来实现。智能手机通过WiFi接入传输网络,通过Socket编程指定服务器实现与网关之间的通信功能。

监控软件主要设计了两个简洁美观、易于操作界面,一个是登录界面如图7所示,另一个是监控界面如图8~10所示。登录界面实现账户设定及登录;监控界面按功能分为环境监测单元、家居安防单元、智能家电单元,环境监测单元用来显示家庭中温湿度情况,家居安防模块用来对家中进行布防监控,并显示报警情况。智能家电单元用来对家电进行远程开关控制操作。

4 系统测试

系统设计完成后进行测试,首先,根据测试要求布置好监控节点、路由器,将PC机通过Internet网连接网关启动系统,确保手机连接到外网。然后打开手机上监控软件登录界面输入账户名、密码、MqttID点击确定按钮,进入监控界面。

(1)对系统环境监测功能进行测试:点击环境监测功能按钮,手机上出现环境监测窗口,此窗口能实时显示家庭中的温度值和湿度值,界面如图8所示。

(2)对系统家居安防功能进行测试:点击家居安防功能按钮,手机上出现家居安防窗口,此窗口能实时显示家庭中安防探测器的报警状态信息,点击打开声光报警器和排气扇图标其背景显示为红色。当安防探测器没有报警时,探测器图片背景显示为绿色;当探测器发生报警时,探测器图片背景显示为红色。非法入侵报警会启动声光报警器,可燃气体泄漏报警会同时启动声光报警器和排气扇。解除报警后,点击相应探测器图标能使其背景为绿色进入布防状态。安防测试界面如图9所示。

(3)对系统家电控制功能进行测试:点击智能家电功能按钮,手机上会出现智能家电窗口界面,能实时显示家电状态信息并能控制家电工作状态(如图10所示)。点击家电设备图标可以成功打开和关闭相应的家电。

经测试,该系统手机监控端反映的监控节点的温湿度变化和警情与实际相符,能成功启动安防声光报警装置和动排气扇,也能成功地实现对电动窗帘和照明灯进行远程开关控制。

5 结语

该文提出了一种基于ZigBee轻智能家居远程监控系统设计方案,系统实现了以移动终端对家居状态信息实时监测,家庭安全状态实时监控及家电开关远程控制。利用低功耗ZigBee技术XBee模块组建家庭内网,硬件采用模块化设计,监控软件采用界面设计,使系统具有无需人工布线、移动性好、操作简单、功能可自由搭配和节能的特点,符合轻智能家居的要求,能够为大家提供更加安全、舒适、便利的家居环境。

参考文献

[1] 桂佳佳.浅析“轻巧”型智能家居产品[EB/OL].[2013-03-31].http://www.iot101.com/editor/2013-03-31/1083.htm.

[2] 江丹丹,唐煜程,唐冬,等.一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计[J].现代电子技术,2015(3):6-8.

[3] 赵勇.基于ARM和ZigBee的智能家居远程监控系统设计[J].测控技术,2012,31(11):52-54.

[4] 周游,王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].電子技术应用,2009,23(9):37-39.

[5] 徐振福.ZigBee技术在智能家居系统中的应用研究[D].中国科学院大学,2014.

[6] 王静霞.一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的RF模块XBee/XBeePro及其应用[J].电子工程师,2007,33(3):24-27.

[7] 张金良.GPRS和ZigBee技术在智能家居中的应用研究[J].信息与电脑:理论版,2015(18):92-93.

[8] 朱庆华,刘天羽.基于ZigBee的家居防盗系统的研究[J].现代电子技术,2015(20):101-103.

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