家庭室內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的采集處理以及對(duì)家用電器的自動(dòng)控制，對(duì)家庭智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用JN5121模塊，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無線通信的功能。該系統(tǒng)可以將家庭環(huán)境的數(shù)據(jù)通過短信發(fā)送到指定的用戶手機(jī)中，用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行訪問，通過互聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)系統(tǒng)下達(dá)指令。本系統(tǒng)功耗超低，網(wǎng)絡(luò)組織靈活，成本較低，安全可靠，性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；自動(dòng)控制；ZigBee；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

    隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，智能居家系統(tǒng)早已引起了人們的注意。國外智能家居產(chǎn)品主要注重于家庭內(nèi)部的功能實(shí)現(xiàn)，主要是兩種產(chǎn)品：以安全報(bào)警為主的系統(tǒng)和同時(shí)具有安防報(bào)警與家庭自動(dòng)化功能的產(chǎn)品，但它的價(jià)格比較高，在中國市場推廣時(shí)遇到了阻力。在國內(nèi)，智能家居起步相對(duì)較晚發(fā)展都相對(duì)減慢，廠家的構(gòu)成較為復(fù)雜，技術(shù)實(shí)力也相差懸殊，無法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其技術(shù)水平。雖然市場還沒有較好的展開，但是我國的一些實(shí)力較強(qiáng)的公司已開始技術(shù)儲(chǔ)備，越來越多的機(jī)構(gòu)和個(gè)人開始了對(duì)智能家居的研究，因此我國智能家居的蓬勃發(fā)展指日可待。本文所提出的家庭室內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體以ZigBee無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)安防報(bào)警和家用電器遠(yuǎn)程控制的功能。

1 關(guān)鍵技術(shù)
1．1 ZigBee
    ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾千米，并且支持無線擴(kuò)展。它的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802．15．4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其技術(shù)的主要特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速率低，功耗低，成本低，網(wǎng)絡(luò)容量大，時(shí)延短，安全，有效范圍小，工作頻段靈活，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，以及很好的兼容性。因此，ZigBee的主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在了消費(fèi)家用電子產(chǎn)品和傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
1．2 JN5121模塊介紹
    本文中選擇的核心模塊是JN5121-Z01-M01，它是JENNIC公司推出的一款應(yīng)用兼容IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)的收發(fā)芯片。JN512 1是一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗，低成本無線微型控制器。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．1 5．4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了多種解決方案，同時(shí)高度集成化的設(shè)計(jì)簡化了總的系統(tǒng)成本。
    JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧；JN5121內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間；JN5121內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載；JN5121支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時(shí)提供了對(duì)于大量的模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持，讓用戶可以方便的連接到自己的外部應(yīng)用系統(tǒng)。圖1為JN5121 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。



2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    家庭室內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括家庭安全防范報(bào)警系統(tǒng)和家用電器自動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分。整體的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。


    本系統(tǒng)采用多傳感器復(fù)合數(shù)據(jù)融合策略實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警。傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)采集家庭環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理融合，并上報(bào)給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，中心節(jié)點(diǎn)將會(huì)對(duì)相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。而控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些指令啟動(dòng)或者關(guān)閉家用電器，使家庭環(huán)境恢復(fù)到用戶滿意的程度。路由節(jié)點(diǎn)使數(shù)據(jù)和指令在傳送過程中找到最佳的路徑，準(zhǔn)確快捷地達(dá)到目標(biāo)。由于采用無線通信技術(shù)，路由節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不會(huì)受到角度、障礙物等因素的影響，非常靈活。
    在中心節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)異常的同時(shí)，它命令短信節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境數(shù)據(jù)以短信的形式報(bào)告給用戶，使用戶掌握家中的環(huán)境情況。用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)來對(duì)家中的智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，并通過網(wǎng)絡(luò)來控制家中的電器。系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的電源均使用微型電池。
2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)
    本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集光、溫度、濕度、光電、液位、電磁感應(yīng)、壓力等信號(hào)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)置在用戶家中的窗、門、廚房等位置。傳感器節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖3所示。


    傳感器采集到家庭環(huán)境的信號(hào)后，通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)融合處理，再利用通信模塊對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)進(jìn)行發(fā)送。微處理器還負(fù)責(zé)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器和通信模塊工作的控制。
2．2 路由節(jié)點(diǎn)
    由于家用電機(jī)眾多，中心節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)和電器控制節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)。因此在它們之間加入了路由節(jié)點(diǎn)，以保證信息能夠通過最佳的路徑，準(zhǔn)確快捷達(dá)到目的地。在本系統(tǒng)中，路由器節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置在用戶家中各個(gè)房間的鏈接處。路由節(jié)點(diǎn)的作用是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行信號(hào)加強(qiáng)后找到最佳路徑之后再轉(zhuǎn)發(fā)。
2．3 中心節(jié)點(diǎn)
    系統(tǒng)初始化之后，中心節(jié)點(diǎn)向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，規(guī)定各類傳感器節(jié)點(diǎn)30 min發(fā)送一次采集的數(shù)據(jù)。在接收到由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，中心節(jié)點(diǎn)先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，立即向該異常節(jié)點(diǎn)附近節(jié)點(diǎn)發(fā)送要求數(shù)據(jù)的指令，如
果該節(jié)點(diǎn)周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)也出現(xiàn)高于平均值的情況，則判斷為出現(xiàn)異常情況。并根據(jù)具體的數(shù)據(jù)，例如溫度、光強(qiáng)、濕度等，來對(duì)相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送家用電器的操作命名，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的自動(dòng)控制功能。中心節(jié)點(diǎn)的位置一般設(shè)置在用戶家中的主室之中，和PC主機(jī)應(yīng)用RS 232
串口相連。中心節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖4所示。

2．4 控制節(jié)點(diǎn)
    控制節(jié)點(diǎn)的功能是接受并執(zhí)行中心節(jié)點(diǎn)傳來的指令。控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的目標(biāo)是用戶家中的家用電器。為了能夠很好地實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，控制節(jié)點(diǎn)在安裝時(shí)盡量靠近家用電器。控制節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖5所示。

    通信模塊負(fù)責(zé)指令的接收與家用電器狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送；控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)命令開啟或關(guān)閉家用電器。

3 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)
3．1 GSM短信
    系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)確定有家庭環(huán)境數(shù)據(jù)異常的同時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)會(huì)將異常的數(shù)據(jù)發(fā)送給短信節(jié)點(diǎn)，短信節(jié)點(diǎn)通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的用戶手機(jī)中，使異地手機(jī)用戶隨時(shí)監(jiān)測本地網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)。此時(shí)，短信模塊將接收到的ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)解析，然后封裝成符合GSM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的幀格式，接入到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)私有網(wǎng)絡(luò)與G網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，即完成GSM網(wǎng)關(guān)功能。
3．2 互聯(lián)網(wǎng)
    本系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問。這就需要將ZigBee無線通信協(xié)議和常用的互聯(lián)網(wǎng)的TCP／IP協(xié)議互相轉(zhuǎn)換。
    中心節(jié)點(diǎn)通過RS 232串口與用的PC主機(jī)相連，PC主機(jī)通過網(wǎng)卡與互聯(lián)網(wǎng)相連。智能網(wǎng)絡(luò)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)應(yīng)用軟件將符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)解析，再封裝成符合TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中，這樣用戶就可以在遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行查看。同樣，當(dāng)用戶在遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)終端向家中的智能網(wǎng)絡(luò)下達(dá)命令時(shí)，主機(jī)應(yīng)用軟件將符合TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包解析，在封裝成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送給家中的智能網(wǎng)絡(luò)。這樣就完成了用戶通過互聯(lián)網(wǎng)與家中智能網(wǎng)絡(luò)交互的目的。
    軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信的方法是應(yīng)用C++語言采用Socket編程實(shí)現(xiàn)C／S模式。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)采用無線、短距離、自組織路由功能的AdHoc通信技術(shù)，結(jié)合了各種傳感器采集技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)、硬件技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)等。形成具有定位、溫度、濕度、壓力、紅外、入侵監(jiān)測等的復(fù)合感知，然后控制各種電器設(shè)備工作，滿足室內(nèi)安全環(huán)境要求。智能網(wǎng)與Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)可連接，方便異地遙控。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運(yùn)行在PC上，顯示當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，與Internet連接，遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet在遠(yuǎn)程終端上監(jiān)控。該系統(tǒng)兩節(jié)點(diǎn)之間直接通信距離不小于60 m；連接Internet速度不低于100 Mb／s；本地到遠(yuǎn)程視頻放映時(shí)間小于3 s。