一種基于ZigBee和WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

　　科技的進(jìn)步以及人們物質(zhì)生活水平的提高，逐漸推動(dòng)了智能家居概念的出現(xiàn)?，F(xiàn)在，身為物聯(lián)網(wǎng)的十大應(yīng)用領(lǐng)域之一，智能家居的應(yīng)用與生活息息相關(guān)。各種無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的智能化和遠(yuǎn)程控制成為一種現(xiàn)實(shí)。對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)通信而言，傳輸數(shù)據(jù)量小，在傳輸速率上要求不高，網(wǎng)絡(luò)容量大，家電設(shè)備多，所以要求信息實(shí)時(shí)性好、時(shí)延短、成本低。

　　ZigBee作為一種新興無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它的低成本、低功耗和較寬的覆蓋范圍，使其應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)目前市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性能不強(qiáng)及用戶體驗(yàn)不佳等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種更為完善的智能家居系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　智能家居系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關(guān)、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(jī)軟件終端等組成。家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無(wú)線采集和控制網(wǎng)絡(luò)的鏈接、數(shù)據(jù)的分析以及指令的下達(dá)；ZigBee各模塊則是采集環(huán)境信息并根據(jù)指令對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)或者手機(jī)軟件把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，由ZigBee協(xié)調(diào)器對(duì)下面負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集或控制家電的各個(gè)ZigBee模塊進(jìn)行控制，家庭網(wǎng)關(guān)也能通過(guò)GPRS或Wi-Fi向手機(jī)軟件反饋設(shè)備運(yùn)行狀況和采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置在家中的傳感器探測(cè)到有異常情況時(shí)，不僅家中的報(bào)警器會(huì)開(kāi)始報(bào)警，系統(tǒng)還會(huì)通過(guò)GSM／GPRS模塊向用戶的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。

　　1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：星形、樹(shù)形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是通信會(huì)受到距離的限制，覆蓋范圍??；樹(shù)形網(wǎng)存在路由，所以覆蓋范圍比星形網(wǎng)要大，但是一旦某個(gè)路由發(fā)生故障，與其相連的節(jié)點(diǎn)就會(huì)從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)；網(wǎng)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)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(wǎng)有較高的性價(jià)比，如果居住面積較大則用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)會(huì)有更好的效果。本智能家居系統(tǒng)選用星形網(wǎng)絡(luò)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1家庭網(wǎng)關(guān)主控制器

　　本智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)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(nèi)核，主頻達(dá)到667 MHz，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。S3C6410支持最大分辨率為1 024&TImes;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(gè)PCM Audio接口、兩個(gè)USB接口和SD／MMC接口，可以非常方便地進(jìn)行外圍擴(kuò)展。S3C6410價(jià)格低、性能高且功耗低，完全符合本設(shè)計(jì)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(wǎng)關(guān)主控制器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)核心模塊關(guān)系圖如圖2所示。

　　2.2 ZigBee模塊

　　本設(shè)計(jì)中ZigBee模塊分為射頻收發(fā)模塊和底層控制板兩個(gè)部分。

　　射頻收發(fā)模塊采用美國(guó)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(gè)真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠友好地支持低功耗無(wú)線通信。底層控制板與射頻收發(fā)模塊相連，上面有一個(gè)8位撥碼開(kāi)關(guān)輸入、2路數(shù)字量輸入、2路數(shù)字量輸出、1路模擬量輸入、1路模擬量輸出以及1個(gè)IIC總線接口。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)RS232串口與家庭網(wǎng)關(guān)相連接。底層控制板的通用性良好，根據(jù)8位撥碼開(kāi)關(guān)可選擇自身的功能，用戶能夠根據(jù)需求對(duì)底層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　2.3 GSM／GPRS模塊

　　本設(shè)計(jì)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(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP／IP協(xié)議棧，能夠以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300上電后自動(dòng)附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)遠(yuǎn)端用戶設(shè)備和控制中心的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232串口與SIM300連接，并以AT指令控制其打電話、發(fā)短信。