摘 要：将ZigBee无线自组织网络运用于智能家居中，可以实现对家居环境安全性、舒适性、便捷性的有效提升。运用相应配套的智能终端布局在家庭不同功能的房间中，将采集的数据无线传输给智能网关，再通过家庭路由器实现手机对家庭状况的监控。本文详细介绍了整个系统的软硬件设计方法，经过调试验证，该系统运行效果可靠，实用性强。
关键词：智能家居；无线自组织网络；嵌入式网关
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）12-0193-03
Design and Implementation of Smart Home Monitoring System Based on ZigBee Network
LU Xinyun，LU Songyu，ZHAO Jiacheng，YANG Li
（Industrial Center，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）
Abstract：The application of ZigBee wireless ad hoc network in smart home can effectively enhance the safety，comfort and convenience of home environment. With the corresponding intelligent terminal installed in the room of different functions，the collected data is transmitted wirelessly to the intelligent gateway，and then the mobile phone is used to monitor the family status through the home router. This paper introduces the software and hardware design method of the whole system in detail. After debugging，the system is proved to be reliable and practical.
Keywords：smart home；wireless ad hoc network；embedded gateway
0 引 言
创造健康舒适的家居环境源于人们对幸福生活的追求。随着我国经济的高速发展，人们的生活水平和居住环境有了质的飞越，各种生活配套设施与家电设备也愈加丰富。然而，为了保障人们安全使用各种设备、提高能效，改善居家生活的舒适性、便捷性，就需要构建基于物联网技术的智能家居系统。目前的家庭控制网络还缺乏统一的通信标准和互操作协议。在众多的技术和标准中，最受关注的是家庭现场总线技术和短距离低速率无线网络技术。由于无线通信方式减去了布线的工作，灵活性强，用户体验良好，所以，在可替代的情况下逐渐成为家庭控制网络的理想通信方案。
目前，基于短距离低速率的无线通信技术主要包括：红外、无线射频、蓝牙、WiFi和ZigBee等。各种技术和标准都有自身的优缺点，且相互间并不兼容，其中ZigBee无线网络自组网能力强、能耗低、支持网络拓扑结构动态变化，成本低廉，并且有IEEE 802.15.4工作组和ZigBee联盟制定了完善的协议规范，所以，尽管ZigBee通信具有低数据传输速率以及实时性不够的缺点，但是它在控制家居电器照明和采集环境信息中得到了广泛的应用。
1 系统结构
整个智能家居监控系统主要包括：嵌入式网关、客厅终端、卧室终端、厨房终端、智能窗帘终端、基于Android系统的手机应用APP，PC机端应用监控软件等七大部分构成。项目整体框架如图1所示。
客厅终端、厨房终端、卧式终端以及智能窗帘控制器通过ZigBee网络与嵌入式网关相连。嵌入式网关将汇聚的信息经过数据融合通过串口与PC机通信。通过PC机端的应用监控软件可以实时地了解家庭环境的相关状况。嵌入式网关通过WiFi通信模块与家庭路由器建立连接。用户可以通过手机APP与路由器建立连接来随时获取家居情况，并对家庭的相关设施进行控制。
2 系统设计与实现
2.1 嵌入式网关
嵌入式网关是整个智能家居系统的核心，它负责网络的组网，数据的汇集、存储及融合，当前状态的液晶显示以及与PC机、手机建立通信。嵌入式网关核心处理器采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，通过CC2530 ZigBee芯片作为短距离网络通信模块，将嵌入式网关与手机之间通过WiFi模块建立连接，PC机与嵌入式网关之间通过串口相连，并通过SD卡记录历史数据。在网关上搭载了一款型号为GLM-70W-C的PS-LCD，该款液晶可以通过RS232、485或CAN总线与网关主控芯片建立连接，人机界面采用组态式界面开发，所见即所得的开发方式让系统的设计有很强的扩展性。网关中采用型号为ESP8266-12F的WiFi模块，并将WiFi模式设置为SoftAP+station模式。
CC2530是TI公司推出的一款完全支持ZigBee 2007 PRO协议的单片机[1]，它片内集成了RF收发器和一个增强型的8051内核，芯片内可编程闪存最高可达256KB，完全满足了绝大多数应用的需求。TI公司同时也推出了相应的协议栈Z-Stack。在该协议栈内部植入了一个基于事件驱动的轮询式操作系统OSAL，能很好的响应系统关联的触发事件。网关中的CC2530在ZigBee网络中是一个协调器的角色，它将汇聚的数据通过串口传输给核心处理器STM32F103ZET6芯片，该芯片还有另外两个串口，一个用于将数据传输给WiFi模块，另外一个与PC机建立通信，从而满足系统的要求。
2.2 客厅终端
客厅终端由CC2530Zigbee通信模块、温度采集模块、光照采集模块、人体红外感应模块、呼吸灯模块、USB接口通信模块、工频电转5V电源模块构成。
终端中应用光敏电阻、人体红外感应模块和LED灯组成智能小夜灯。在利用光敏电阻感测夜间情况的同时，如果人体红外感应到人体活动存在则控制器点亮LED，起到微弱的照明作用，当人的活动停止重新进入睡眠则LED自动熄灭。这种人性化的设计给人们夜间的小活动带来便捷。客厅终端也会将采集的温度、光照、人体活动信息上传至网关，通过网关的人机界面可以设置一个具体时间段，如果在此期间接收到有人体活动信息则启动报警装置，这样就实现了通过人体红外来监测是否有外来入侵者的功能，从而对居家的安全性提供了保障。终端中CC2530既是与网关进行网络通信的媒介，同时也作为控制其他模块的处理器，并且在终端上添加了CH340G与USB接口用来实现与PC机之间的串口通信。
为方便安装将终端硬件电路设计成符合86型开关盒大小，使用IRM-01-5交流220V转5V电源模块为终端供电，该电源模块最大能出200mA的电流，足够整个终端的用电需求。
2.3 厨房终端
厨房终端由CC2530Zigbee通信模块、温度采集模块、烟雾传感器模块、USB接口通信模块、工频电转5V电源模块构成。
因为厨房是最有可能发生火灾和煤气泄漏的场所，所以厨房终端的主要作用是运用MQ-5传感模块对烟雾浓度进行监测，从而对发生的状况作出相应的决策。该模块可以对液化气，天然气、煤气进行监测，具有TTL数字量输出和电压模拟量输出两种模式，可以通过调节电位器改变传感器的灵敏度。当CC2530收到烟雾浓度超出设定的阈值，即刻给继电器线圈触发信号，使得继电器的常闭触点断开，切断交流接触器的线圈供电回路，从而使交流接触器主触点断开，切断家庭内部对空气开关的供电，避免较大事故发生。厨房终端实现检测燃气泄漏切断供电的核心电路如图2所示。
2.4 智能窗帘终端
智能窗帘终端主要由CC2530Zigbee通信模块、光照采集模块、震动传感器模块、步进电机控制模块、工频电转5V电源模块构成。
光照采集模块使用普通的光敏电阻来感测环境光线的强弱，从而控制窗户以及窗帘的开合。在使用的过程中用户需要设定控制开合的光线强度阈值以及控制模式。震动传感器采用压电片型并将其吸附在窗户玻璃的某一区域，当有外来入侵者破坏窗户或者较大的风引起窗户震动，或者是极端情况下地震的前兆造成窗户震动时，控制器接收到震动信号控制关闭窗户，并将震动状况发送给网关，网关通过GSM模块给用户发送报警信息，同时用户的APP也会通过WiFi接收到的报警信号，启动报警铃声。窗帘驱动步进电机采用A4988芯片，窗户开合的步进电机采用THB6128芯片。
运行程序在Z-Stack协议栈的基础上进行修改，在事件处理轮询函数中嵌入按键输入事件查询、接收到新数据事件、设备状态发生改变事件。由于窗户震动的信息可能非常短暂，同时也有可能是外来侵入者或地震信号，因此，把震动信号放入端口中断事件中进行处理。
2.5 手机端应用软件设计
基于Android操作系统开发了手机端的智能家居监控软件。该应用软件通过手机的WiFi模块与路由器建立连接。一方面接收网关发过来的各个智能终端采集的数据信息，为每个终端设置了一个独立的信息显示界面；另一方面可以通过手机端发出控制信息实现对家中相应执行机构的控制。如：实现窗户的开合，供电的通断等。
3 系统测试
将整个系统的网关和智能终端布置在房间中相应的位置，先对路由器上电，然后依次打开网关和智能终端，最后打开手机APP登录路由器给它分配的固定的IP地址。
在网关的人机界面上设定好客厅终端检测到人体活动的报警时间段。在报警时间段内检测到了人的存在，则蜂鸣器鸣叫，并将信息发送至手机，手机端APP也将启动报警的声音。用手掩盖住客厅终端对外的光敏电阻模拟夜晚到来，终端外部的LED灯被点亮。
用打火机在厨房终端附近模拟燃气泄漏状况，终端蜂鸣器即刻启动报警，并且将报警信息发送至手机APP。在厨房终端报警的同时触发固态继电器动作，断开对供电交流接触器线圈的供电，从而达到了切断强电线路，谨防重大灾害发生。
将窗帘终端控制模式设定为手动模式，通过按键能实现窗帘的打开与闭合。也可以通过手机按键来控制窗帘的动作。将控制模式设定为自动正模式，当夜晚来临窗帘自动闭合，白天到来窗帘自动启开。将控制模式设定为自动负模式，当夜晚来临窗帘自动打开，白天到来窗帘自动闭合。在自动模式下，窗帘的运行将不受手机控制。
经测试证明该系统各项功能运行正常。
4 结 论
基于物联网技术的智能家居系统是未来智慧家庭的必然发展趋势[2]。文中提出的基于ZigBee网络与WiFi通信的智能家居系统架构具有安装灵活方便、稳定性好、可扩展性强等优点，所配套设计的智能终端能够从安全性、便捷性、舒适性来改善家居生活，在智能家居领域有一定的使用价值。
参考文献：
[1] 王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现 [M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术 [M].北京：清华大学出版社，2014.
[3] 蒋挺，赵成林.ZigBee紫蜂技术及其应用 [M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
作者简介：陆欣云（1981.08-），男，汉族，江苏南京人，硕士，讲师。研究方向：无线自组织网络。
