一种基于ZigBee的智能家居环境信号采集与控制系统设计

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2024年1月21日发(作者：)

通信与网络Communications & Networks一种基于ZigBee的智能家居环境信号采集与控制系统设计A design of smart home environmental sampling and control system based on ZigBee戚仕鹏1 谢屈波1

何山21.华中科技大学 计算机科学与技术学院（湖北 武汉 430074） 2. 华中科技大学 经济学院（湖北 武汉 430074）

摘要：本设计基于德州仪器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee协议与无线局域网混合的方式，实现感知家居的环境参数采集和远程家电控制功能。系统设计简单、性价比高、功耗低、稳定可靠，具有较强的实用性和广阔的市场前景。关键词：物联网；ZigBee；CC2530；环境参数采集；家电控制DOI: 10.3969/.1005-5517.2017.1.011项目信息：第二届全国大学生物联网设计大赛决赛ZigBee特别创新奖；首届中户互联网+大学生创新创业大赛湖北省银奖。戚仕鹏（1995-），男，华科Inspiration创新创业技术团队创始人；谢屈波，男，博士，研究方向：公安大数据分析与挖掘（反恐与安防），舆情分析与智能情报系统；何山，男，华科T团队创新创业组长。引言伴随着移动互联网的发展，各类民用级电子产品开始能够连接云端，带有APP的智能硬件如雨后春笋般涌现到消费电子市场，其中不乏适用于家用环境的智能家居类设备。智能家居作为一项提出多年的概念，由于缺乏统一的行业标准，各大品牌的设备相互不能兼容，所以一直没有得到腾飞式的发展。谷歌收购NEST温控设备，苹果公司发布HomeKit，微软发布WinXiot版本，预示着国外IT巨头看好智能家居市场并积极布局。作为隐藏在智能家居背后的通讯协议，除了普通居民耳熟能详的Wi-Fi(家用局域网)外，低功耗的短距离传输协议(如ZigBee、蓝牙和Zware等)也已发展成熟稳定，物联网使得设备间也能相互通信。不同品牌设备之间的开放与互联互通，将图1 感知家居需求与用户用例图图2 感知家居系统与芯片选型5258ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2017.1Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

责任编辑：王金旺图4 硬件电路抽象架构图图5 第一转接单元电路图图3 感知家居系统的功能模块分解表1 感知家居传感器选型与描述传感器型号DHT11MQ-2传感器描述温湿度传感器，有效测量范围：0～50℃；湿度有效测量范围：20%～90%RH。烟雾传感器，可采集甲烷、丙烷、氢气、酒精和液化气等常见家用厨房可燃气体。有效监测范围：100～20000ppm；工作环境温度：-BH1750FVIHC-SR501DSM501A10℃～50℃；湿度65%±5%RH。光照传感器，其测量范围约为(1～65535lx)，工作温度范围：-40℃～50℃。人体红外活动探测传感器，工作温度：-15℃～70℃，有效范围15m。PM2.5探测传感器，工作温度范围：-20℃～80℃

。图6 第二转接单元电路图文介绍了一种兼容性强、性价比高的环境信息采集和家电控制系统。1 系统概述要实现一套性价比较高的智能家居系统，所需的功能由用户的核心需求来决定。根据马斯洛需求层级，生理和安全方面的需求应当放在首要实现的位置，实现的功能必须包含安全防盗、火警、有害气体检测和危险情况及时报警；其次是生活的便利化，包括对家庭环境的随时随地查看，家电的远程控制等；最后是需求的个性化，例如SOHU办公、孕婴或行动不便、视力障碍或听觉障碍等情况，是用户分散的长尾需求指标。用户用例如图1所示，通过PC电脑浏览器或移动APP均可实现，本文重点实现移动端。根据用户的需求，考虑实际的居家场景和使用习惯，本原有的信息孤岛相互联系起来将成为未来的大趋势。2016年3月8日，海尔向开发者开放了U+平台，美的集团也向第三方开放了M-Smart的SDK(软件开发工具包)；3月31日，微软也发布了MS Bot Framework机器人框架，巨头们的纷纷表率预示着更多的厂商将会开放自身的软硬件平台，使得家电设备，以及越来越多的智能硬件单品可以整合到一起。旧版本的智能家居系统大多采用总线控制，装修布线的成本非常高，并且严重降低用户体验。新一代智能家居产品以小米和华为的最新产品为例，均采用Wi-Fi与ZigBee协议。本 2017.15359Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

通信与网络Communications & Networks黏贴在墙上，用电池工作是最快捷、最经济的方案，也是目前绝大多数厂商的选择。再综合考虑兼容性问题，例如小米和华为的智能家居设备已经采用了ZigBee协议，通过Z-stack协议栈即可相互通信，所以我们选择德州仪器提供的CC2530解决方案，稳定性强且价格较低。其中，每个房间都可以安装一个设备来采集信息(由用户决定)，从设备节点作为路由节点(Router)实现快速组网和通讯。主节点的CC2530芯片工作状态为协调器(Coordinator)，负责整个ZigBee网络的协调和组织，然后通过ESP8266芯片将ZigBee的信号转换成TCP/IP协议的WLAN数据。这样，只要家中有无线路由器，即可联通所有设图7 CC2530模块电路图备，从而兼容更多其他设备。关于主控设备，可以在云端服务器，可以是PC机，也可以是更低功耗的嵌入式设备，例如小米和360的路由器；如果追求功能简单稳定，甚至可以是单片机设备。如图3所示，整套系统分为传感器采集与传输、初始化配置、家电控制、安防报警和云端移动端服务五大核心模块，包含并具体实现图1中的用例需求。图8 配置模块流程图文介绍一种可行的解决方案。首先，环境参数采集需要使用传感器，包括温湿度、被动人体红外、光照强度、烟雾及瓦斯探测；若增加成本，可以加入摄像头和PM2.5检测传感器；其次，为了降低装修布线成本，采用无线方式，即无需布线。通讯协议优先考虑WLAN+ZigBee混合的方式是由于WLAN的普及程度高，ZigBee协议的功耗低(可以使用电池工作)，且覆盖半径(有墙干扰约20m)比蓝牙高。最后，为了实现远程查询控制，云端服务器和移动端APP将是最便利的途径。整套系统的抽象架构框架如图2所示。综合考虑系统实现的性价比来进行硬件芯片的选型。关于网络摄像头和智能家电，其具体的连接参数和控制接口都在各自设备的官网指定，例如海尔的U+和美的的M-smart。为了降低装修成本，采用低功耗的无线通讯协议，并将设备直接2 软硬件实现关于传感器的选型，如表1所示为高性价比实现智能家居核心所需的部分配件，可以选择的传感器有超过二十种，均可通过网购获得。硬件设备选型：德州仪器CC2530开发板是由若干(从节点)自制传感器集成的装置，如图4所示。CC2530+ESP8266开发板(主节点)、pcDuino开发板(主控设备)、无线路由器一枚(可选)和移动设备(iOS和Android)。图4中通过单刀双掷开关，整合miniUSB电源和7号干电池供电，当设备掉电时，可以马上接通电池，保障稳定运行；通过GPIO接口将传感器数据采集到第一转接单元(如图5)；将数据预处理后，通过第二转接单元(如图6)发送到CC2530芯片(如图7)，通过ZigBee协议将数据发送到主节点。5460ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2017.1Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

责任编辑：王金旺图9 安防模块功能与流程图图10 家电控制模块功能与流程号和地址(如有必要，最好在路由器上把家电mac地址绑定不变)，即可实现对家电的控制。安防报警模块需要用户手动开启或解除。主要基于被动人体红外(PIR)传感器，当安防模式开启后，如果家中有人闯入，激活红外信号即开启报警，以短信的形式通知住户和安保物业人员，其中摄像头拍照取证为可选功能。关于环境报警信息，主要是有害气体、火灾或漏电行为的检测，如图9所示，由系统监听传感器和家电状态信息获得。家电的远程控制与访问查询，需要APP端图11 感知家居云端数据库样例或PC浏览器来实现。在主控设备的程序中编写监听程序，接收控制指令，如图10所示。软件选型：在pcDuino上运行OpenWrt，并安装Nginx、SQLite和PHP作为家用主控服务器，采用Python2.7.1作为主控程序的编程语言，采用开发板自带的IRH7.6版本的IDE即可将程序烧制到开发板的ROM中。关于云端服务器，可以采用阿里云，配置为CentOS6.4版本，运行Nginx、MySQL5.2和PHP5.3即可作为云端服务器。关于传感器数据收集和云端服务器的内容，相关文献已较多在此不再赘述。关于配置模块，是用户安装时初始化的必要的一步。由于每个住户的居家环境和配置方案都不同，需要在初始安装时指定设备的摆放位置，并匹配相关的传感器和家电设备。为了提升用户体验，需要对初始化进行测试，用户满意方可通过，如图8所示。家电控制模块分为红外家电和Wi-Fi家电控制两类。其中，红外家电包括空调、电扇、电视等设备，相应的控制代码是串行的，依赖红外转发模块来实现，大多数基于38KHz的NEC红外载波协议，所以可以通过学习遥控器按钮控制代码来实现。关于Wi-Fi家电的控制格式，均为IP地址：端口+控制代码的格式实现，各品牌型号的具体代码各不相同，大部分品牌还带有加密密钥，所以必须在初始化配置时指定好正确的型主控设备定期与云端进行同步，为了保障用户的隐私，在云端仅保存最近的数据供APP访问使用，以及安防报警的证据留存。云端数据库的架构及描述如图11所示。

3 总结本方案采用低功耗的ZigBee协议与WLAN结合，不仅节省了智能家居的装修成本，而且使得居住环境的信息采集和远程查询控制的实现都成为可能。本方案的兼容性更好，可以适用于较多厂商的品牌兼容。本项目为华科大学生创业作品，“感知i家”系列产品已注册商标，并受到华中科技大学大学生科技创新基金的支持。系统的主要功能包括：安防、灾害预警、家电控制和住户行为识别，以及不同品牌设备之间的互联互通。参考文献：[1]张亮.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉科技大学, 2009.[2]苑毅,潘峥嵘.一种Zigbee传感器实现的环境监测系统设计[J].自动化与仪器仪表, 2013(2):53-54.[3]侯丽玲.基于ZigBee的无线传感器网络远程监控系统的设计与实现[J].长春工程学院学报:自然科学版,

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本文标签： 传感器设备实现系统控制