一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：ZigBee技術(shù)以其低功耗、組網(wǎng)靈活、部署成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該文提出一種以Tina6410和GSM通信模塊為平臺(tái)環(huán)境，基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過PIC單片機(jī)采集空氣質(zhì)量、溫度和濕度等數(shù)據(jù)，建立Web服務(wù)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳?，并通過GSM發(fā)送自動(dòng)報(bào)警。用以滿足家居、辦公等室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控的無線、智能化。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)住宅的要求，除了安全性、舒適性之外，更注重它的智能化與網(wǎng)絡(luò)化。美國(guó)最早提出了智能家居(Smart Home)的概念，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)也競(jìng)相研究開發(fā)智能家居系統(tǒng)。家庭監(jiān)控系統(tǒng)，作為智能家居系統(tǒng)里一個(gè)重要的應(yīng)用，已經(jīng)受到眾多企業(yè)和開發(fā)人員的關(guān)注。但是早期的系統(tǒng)系統(tǒng)大多采用有線連接方式，在裝修設(shè)計(jì)時(shí)候布線繁瑣、工程復(fù)雜，因此，開發(fā)基于無線通信的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。

1 傳統(tǒng)家居監(jiān)控系統(tǒng)

近幾年隨著電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展和融合，智能家居已經(jīng)從概念提出的萌芽期到豐富產(chǎn)品設(shè)計(jì)的融合演變期，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一些知名智能家居品牌，如物聯(lián)傳感、海爾U—Home、智慧之家、云家等。智能家居中一個(gè)非常重要的應(yīng)用，是家居安全監(jiān)控，保障家居的安全性。

傳統(tǒng)的無線智能家居監(jiān)控方案中，主要方案包括：采用藍(lán)牙、802.11無線局域網(wǎng)技術(shù)，但是編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、芯片價(jià)格較貴;采用紅外控制方案，傳輸距離太短，遇到障礙物而無法傳輸，同時(shí)在建成的樓房進(jìn)行安裝比較困難;采用控制終端與互聯(lián)網(wǎng)接入方案，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難度高、可擴(kuò)展性差，同時(shí)費(fèi)用也比較高，這些技術(shù)的主要缺點(diǎn)有：

1)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)傳輸，多數(shù)選擇的是“單片機(jī)控制+ZigBee芯片“方案，沒有模塊化的設(shè)計(jì)，傳輸天線設(shè)計(jì)麻煩而且信號(hào)穩(wěn)定度不高。

2)采用的方案多數(shù)是同時(shí)存在多個(gè)控制端，互相之間的通信協(xié)議設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，效率較低，同時(shí)主次監(jiān)控端的功能區(qū)分不明確，有功能重復(fù)的部分。

3)采用的現(xiàn)有方案中，多數(shù)缺乏娛樂功能的開發(fā)。

4)采用的監(jiān)控系統(tǒng)，添加監(jiān)控模塊較為復(fù)雜，可拓展性較差。

因此，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的狀況，設(shè)計(jì)一種靈活、可拓展性較強(qiáng)、組網(wǎng)與控制穩(wěn)定的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

2 無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有無線智能家居系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)，本文提出一種無線、智能化的、主控端功能區(qū)分明確、傳輸信息穩(wěn)定，且具有功耗低，硬件成本低廉，安裝方便的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)包括與控制主機(jī)連接的ZigBee中心收發(fā)模塊，多個(gè)嵌入在家居設(shè)備、報(bào)警傳感器或家用電器之內(nèi)的ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊和控制電路模塊，ZigBee中心收發(fā)模塊與ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊之間通過ZigBee協(xié)議路由無線發(fā)送數(shù)據(jù);控制主機(jī)通過GSM發(fā)送報(bào)警信息，通過Interner網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居環(huán)境，并具有家庭娛樂功能。

圖中相應(yīng)代碼及其功能：

①紅外檢測(cè)部分;

②溫度檢測(cè)部分;

③濕度檢測(cè)部分;

④氣體檢測(cè)部分;

⑤GSM通信模塊;

⑥娛樂功能部分;

⑦7寸LCD液晶顯示器。

⑧ZigBee無線通信子模塊MRF24J40。

如圖1，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：主控端所述的控制主要硬件包括Tiny6410核心板、ZigBee模塊、GSM模塊和7寸電阻觸摸屏;用戶可以通過遠(yuǎn)程的Internet服務(wù)器登錄到本系統(tǒng)中的主控制器界面上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居信息的功能，當(dāng)家里有遇到什么危險(xiǎn)或者是突發(fā)情況的時(shí)候，還可通過如圖所示的GSM模塊發(fā)送短

信通知給用戶的主人，所述的控制電路模塊為控制板電路模塊(即主控部分)，從控部分主要由ZigBee子節(jié)點(diǎn)、PIC18f4620和各個(gè)被控設(shè)備構(gòu)成，接收ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，或者接收被控制設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)，并將其傳遞給ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊;所述的被控設(shè)備為紅外報(bào)警器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧報(bào)警器。

3 系統(tǒng)組成與功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩大功能模塊：基于ZigBee技術(shù)組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于嵌入式ARM平臺(tái)的Web服務(wù)器。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是實(shí)現(xiàn)各子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)與信息傳輸，并及時(shí)向主控制終端反饋信息與狀態(tài)。以ARM內(nèi)核Tiny6410硬件作為嵌入式平臺(tái)，建立Web服務(wù)器，支持TCP/IP協(xié)議，可以與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。用戶想要實(shí)時(shí)查詢家庭環(huán)境的信息，可以登陸Internet網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程訪問嵌入式Web服務(wù)器(即主控制界面)。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)紅外探測(cè)子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)，遇到非正常狀態(tài)陌生人進(jìn)入，節(jié)點(diǎn)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，底層控制器PIC18f4620芯片采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通知嵌入式Web服務(wù)器并啟動(dòng)通信模塊，通過GSM網(wǎng)絡(luò)往指定的手機(jī)用戶發(fā)送報(bào)警信息，用戶想及時(shí)了解家中的情況，也可以通過IE瀏覽器訪問嵌入式Web服務(wù)器，如圖1中的①、⑤部分。

2)系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)視室內(nèi)溫度，上傳給主控制器Tiny6410并在液晶屏幕上實(shí)時(shí)顯示，主控制器可以設(shè)定溫度報(bào)警閾值，也可設(shè)定是否上傳給Web服務(wù)器，方便用戶查看。用戶如需遠(yuǎn)程控制，主控制器Tiny6410接收到遠(yuǎn)程控制信息，即產(chǎn)生控制命令字，通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，再由ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，如圖1中的②、⑦部分。

3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濕度子節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家中環(huán)境的濕度，用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)，登陸嵌入式Web服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。同時(shí)濕度檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)也可設(shè)定閾值，超過閾值會(huì)向主控制器發(fā)送報(bào)警信息，如圖1中第③部分。

4)煙霧檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)帶有相應(yīng)的煙霧傳感器，將采集的信號(hào)經(jīng)過處理，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到主控板。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家中一氧化碳?xì)怏w濃度，當(dāng)檢測(cè)值超過設(shè)定的閾值時(shí)，子節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)將迅速啟動(dòng)排氣扇裝置，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，如圖1中第④、⑤部分。

5)所述的控制器是Tiny6410核心板，CPU允許速度快、功能強(qiáng)大，該模塊可擴(kuò)展很多的娛樂功能，例如MP3、MP4具有豐富的家庭娛樂功能，如圖1中第⑥部分。

6)ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，所組網(wǎng)絡(luò)允許新節(jié)點(diǎn)的及時(shí)加入與管理，方便系統(tǒng)拓展新的監(jiān)控模塊，具有安裝方便和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片為ARM內(nèi)核Tiny 6410控制器，負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的運(yùn)行控制、驅(qū)動(dòng)調(diào)配與界面管理;底層采用PIC公司的PIC18F4620控制器，驅(qū)動(dòng)無線通信模塊，以ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，負(fù)責(zé)主從節(jié)點(diǎn)間的通信，同時(shí)執(zhí)行終端控制界面下達(dá)的任務(wù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體流程如圖2所示。

5 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果

系統(tǒng)采用虛擬QT進(jìn)行實(shí)時(shí)人機(jī)界面的開發(fā)，它是一款GUI設(shè)計(jì)軟件，只需要在一個(gè)平臺(tái)上面設(shè)計(jì)好，即可在其它平臺(tái)上面直接移植運(yùn)行，具有較好的平臺(tái)適應(yīng)性。開發(fā)的應(yīng)用程序清晰美觀，非常適合于嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互界面的開發(fā)。底層通過PIC單片機(jī)采集溫度、濕度等傳感器信息，通過ZigBee技術(shù)組網(wǎng)并傳送數(shù)據(jù)到人機(jī)交互界面，方便及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)基于ARM硬件平臺(tái)上的液晶界面運(yùn)行效果如圖3所示。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)以Tina6410處理器為核心，采用PIC18f4620單片機(jī)采集底層數(shù)據(jù)，通過ZigBee技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并建立Web服務(wù)器通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳?，同時(shí)可以通過GSM發(fā)送報(bào)警信息。本系統(tǒng)具有功耗低、組網(wǎng)方便、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，方便遠(yuǎn)端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有良好的發(fā)展前景。