智能家居系统的应用研究

智能家居系统的应用研究

【摘要】随着物联网技术不断深入研究，智能家居产品正日益开发且应用。目前较多的智能家居产品功能较单一，如单一的安防报警系统、厨房信息检测系统等。智能家居系统应包含有家电智能化、安防智能化、厨房及家居信息网络化等方面，且数据应和远程上位机通信使得住户可远程遥控家居设备。未来家居系统会走进普通百姓家庭中，使得人居生活舒适、安全、可控等。本文设计了基于CC2530节点的信息检测及家电控制终端，通过对ZigBee技术的组网研究，完成了系统MESH网络组建，且所有信息送Android智能平台。在平台上可控制所有终端节点的工作，同时平台通过WIFI或移动通信网络与远程上位机平台进行通信，实现远程遥控及监测功能。

【关键词】ZigBee；智能家居；CC2530；终端节点

1.绪论

随着计算机、电子通信等技术的不断发展。信息化、智能化、控制化已经深入到人们家居生活中。智能家居是指利用电子技术、通信技术、网络技术、计算机应用技术等，使得家居环境中的各种设备能够自动控制且能够受上位机远程控制等功能。智能家居的应用让人们的生活舒适性提高、安全性提升等优点，大大提升了生活质量[1]。

当前我国智能家居的应用尚处在初步应用阶段，国内顶尖的电子通信类公司已开始建立统一的智能家居应用规范和技术标准。为下一步大力推广应用铺垫了坚实的基础。国外智能家居的应用比较普片，在物联网技术发展的驱动下，可以较为方便的把物与物之间连接起来，通过无线或有线网络使得家居信息可视化，进而达到闭环控制的效果[2]。目前家居系统应用成本还较高，随着通信技术的发展、电力载波技术的成熟应用等，我国智能家居成品的应用市场巨大。

目前市场上大多智能家居产品是某个模块的成品，如厨房信息检测模块，没有集成整个家居环境中的所有信息；有些产品是靠电力载波信号线进行数据间的相互交换，造成了安装、维修等较为困难，同时信号传输还受到电力信号的干扰。本文通过在每种受控终端安装ZigBee节点，建立MESH网络，使得整个系统组网方便、信号传输稳定、功耗低、数据流量小、节点加入离开网络方便等特点，符合当前应用的前提，具有较高的开发价值[3]。

2.智能家居系统总体设计

目前市场上所销售的智能家居系统中大多是针对某一个方面而开发的产品，如安防系统、燃气报警系统等。本文通过对家居中的各种系统进行整合，使得家居中的多数受控信息集成在一起，利用远程的上位机可以方便的控制家居中的设备，符合未来家庭的生活需求，具有较大的利用开发价值。系统具有的特点有：（1）采用ZigBee技术使得系统易于安装，不需布线等工序，脱离了有线的限制，

整体架构灵活性搞；（2）系统采用Android平板操作界面，用户可以实时观察所有设备工作情况，且能够发送控制指令，具有良好的操作性能；（3）系统集成性能强，通过WIFI或移动通信网络可与远程上位机进行通信，即可实现远程控制功能；（4）功能可扩展性，对ZigBee协议栈组网的程序改进可以方便定制系统实际应用功能，且家庭设备很容易加入该网络。智能家居系统总体设计框图如2-1所示。

系统总体结构分析如下：（1）家居环境信息检测。主要是检测环境信息量，包含有温度、湿度、光照强度等。（2）厨房信息检测模块。主要检测量含有火焰信息、可燃气体含量等信息。（3）家用电器控制模块。主要含有控制彩电、冰箱、空调、照明灯等控制模块。（4）安防控制模块。主要含有图片信息获取、门窗自动打开报警、红外报警等模块。（5）家庭内部总控制器。为家庭内部所有信息显示上位机模块，能够接收每个ZigBee终端节点检测的数据且送到显示器上显示相关数据，同时能够控制各模块的工作，且能够通过移动通信或其他无线网络和远程的上位机通信，即上位机发送控制指令能够控制家居系统的各模块的工作情况。

3.智能家居系统硬件设计

在智能家居系统中，需要利用传感器采集家居环境中较多的环境参数，传感器采集的信息需送给单片机进行处理，处理的结果通过无线网络传送给家庭网络总控制器。为实现系统采集数据的功能，本文家庭局域网内部采集信号节点采用基于CC2530芯片设计控制模块终端，电路结构图如图3-1所示。TI公司的CC2530芯片，内部集成了8位单片机处理器，具有无线接收和发送数据等功能，应用广泛。基于CC2530芯片的电路结构主要包含有电源电路、复位电路、按键及显示电路、无线收发电路、各种传感器接口电路。

终端节点硬件电路需留出传感器接口电路，不同类型的传感器均可与之连接，如家居环境信息中的温湿度、光照强度传感器等；厨房信息检测模块用到的可燃气体传感器等；安防控制模块中的红外传感器等。

家用电器控制模块硬件电路设计如图3-2所示。该模块的设计采用基于CC2530芯片设计。当无线模块收到上位机发送的控制指令后，经CC2530内单片机的处理，解析出是否要驱动继电器闭合或断开，以此达到控制家用电器电源的通断。这里的继电器的选型要根据实际受控设备电压的大小去选择，同时配备合适的外围电路，达到电路工作稳定的目的。

家庭内部总控制器平台的设计采用可运行Android系统的芯片设计。内部总控制器平台由触摸屏显示模块、ZigBee节点模块、WIFI收发模块等组成。通过触摸屏可以观察到家庭的环境信息、厨房信息、安防信息等，且能够与远程的上位机（手机、远程电脑等）进行通信，接收命令后把控制信息发送到对应的控制节点，使得系统运行智能化。

触屏显示模块，可以显示的信息如下：

4.智能家居系统软件设计

本文中所设计的智能家居系统软件设计流程图如图4-1所示。当系统工作时，家庭网络中的所有ZigBee节点组建成MESH网络，和家庭内部总控制器连接的ZigBee节点负责组建网络，即该节点为网络协调器，其他传感器节点和网络协调器节点相互通信，且协调器节点把接收的信息发送到显示屏显示相应数据信息。当有远程设备发送控制命令给内部总控制器时，内部控制对该命令进行解析，解析的结果发送到指定的ZigBee终端节点去驱动相应设备工作。