基于ZigBee的智能家居控制系统

摘 要为了实现家居环境监测的远程化控制，设计一种基于物联网的智能化家居控制系统。将家庭环境监测传感器，家用电器，控制器等组成物联网，以实现对居住环境的远程控制。以CC2530 芯片为核心设计了ZigBee终端节点，采用星状网拓扑进行ZigBee无线组网。并且利用SIM900M为主芯片的GPRS模组实现短信报警和手机控制，采用短信AT命令实现3G模块短信传输。该智能家居控制系统可以满足家居设备远程监控的需求，系统实现具有成本低，操作方便，功耗低，具有一定的推广价值。

【关键词】CC2530 ZigBee 无线传感网 GPRS

随着科学技术的不断进步和人们生活水平的逐步提升，人们对生活的要求越来越高。伴随着物联网技术在全球的兴起，这项技术已经逐步应用于智能家居设备里。为用户提供便利，舒适，智能化的生活体验。目前，国内已经有多家设备生产商已经提出并研发了相关智能化的家居产品，但是这些产品价格较高，应用的领域各不相同，很能统一形成一个整体化的系统应用。为此，本文基于ZigBee，gsm等无线通信技术，提出建立一种基于物联网技术的智能家居远程控制系统。该系统具有成本低，功耗小，结构简单，操作简便，便于大规模普及等特点。

1 系统总体设计

系统融合了ZigBee无线传感器技术，wifi无线通信网络，GPRS无线通信技术以及互联网络。实现了基于ZigBee技术的传感器的无线组网及数据的传输，基于GPRS的手机短信报警和手机通讯控制，可以通过互联网和移动通信实现家居环境监测，家电设备远程控制等功能。

本系统的实现主要包括三个部分，数据采集部分，数据传输部分和网络控制部分。其中数据采集部分由多种传感器节点组成，这些传感器用来采集室内环境的数据，监测房间环境的变化。例如使用温湿度传感器采集房间内的温湿度数据，CO传感器采集房间内的浓度，空气质量传感器采集房间内的空气质量以及各个家电设备的状态信息，并将采集到的数据通过ZigBee终端节点发送。ZigBee协调器将收集的各个ZigBee终端节点的信息，这些信息通过协调器的串口将数据发送到嵌入式网关或者家庭计算机。家庭计算机处理后发送给3G模块，以短信的形式反馈给远程智能移动设备。此外，一些家用电器设备也可以通过继电器或者执行控制器，通过ZigBee终端节点获取这些电器设备的运行状态信息，远程用户就可以通过计算机网络实现对各种家电设备的状态查询，控制家电设备。整个系统的总体结构如图1。

2 系统硬件电路设计

2.1 无线通信模块设计

家居环境监测主要使用了不同的传感器，这些传感器的连接采用ZigBee无线组网技术。ZigBee协议是一个无线通信协议标准，该标准定义了短距离，低速率无线数据传输通信所需要的一系列通信协议。ZigBee协议栈是协议的具体实现形式，通过ZigBee协议栈应用层的API调用可实现传感器无线组网和数据传输。

为了实现较低功率的损耗和降低成本材料。无线传感网络中的主要设备是CC2530，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530 结合了RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存等许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

CC2530F256 结合了德州仪器的ZigBee 协议栈（Z-Stack），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。

2.2 嵌入式网关

嵌入式网关是智能家居的控制中心，是整个系统的大脑，同时又充当网关和中间件的作用。嵌入式网关具有7寸液晶以及友好的操作界面，支持物联网远程访问和控制，并且还可以无线接入手机网络可进行远程查询和控制。嵌入式网关以ARM Cortex-A8 为核心芯片，具有ZigBee接口，wifi接口，GPRS模组接口等众多接口，可以连接多种外部设备。

嵌入式网关通过串口与协调器通信可以控制控制器或者执行器，从而控制家电的运行，并且也可以读取其他传感器节点的状态，将其显示在液晶显示器上。

2.3 无线手机通信模块

GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，支持TCP/IP协议，可以与分组数据报直接互通。GPRS服务支持节点和网关支持节点既能够实现安全控制和接入控制，也支持与外部分组交换网的互通。

本GPRS模组采用SIM900M通信芯片，利用无线移动网络实现语言传输和点对点数据传输，同时，模组内具备TCP/IP协议栈，可直接实现无线上网。该模组使用标准的UART串行通信接口与主芯片进行通信。如图2所示。

3 系统软件的设计

3.1 基于ZigBee技术的无线传感网设计

家庭环境监测和家电状态控制的终端节点主要通过ZigBee网络完成数据传输，协调器是ZigBee网络的核心。数据通信都是在ZigBee协议栈Z-stack下完成。

利用ZStack APP应用程序框架，通过添加各类传感器驱动程序，使得终端节点可以周期性的发送传感器的状态数据给协调器。协调器检测状态数据的情况，将数据以及检测结果通过串口输出到控制计算机。如图3所示。

3.2 基于GPRS的手机控制模块

手机短信报警与手机控制节点设计：

GPRS模块与A8核心板通过串口连接，当监测传感器的ZigBee节点被触发时，产生报警，ZigBee网络将报警信号发给A8 核心板，A8将此报警信号编辑为短信，通过GPRS模块发送给设定的手机用户。

在嵌入式网关上运行着一个负责与GPRS模块通信的后台程序，它提供了相应的接口，允许用户在收到短信时，立即获得该短信的内容。利用这个接口，可以从短信里读取相关继电器或者控制器的状态，通过短信向执行器节点发送信息从而设置ZigBee网络的控制节点的开关。

GPRS模块SIM900与控制器间通过AT指令进行串行通信，SIM900模块根据受到的不同AT指令去 执行不同的任务。

手机短信报警的流程和手机控制的流程如图4。

3.3 基于QT的嵌入式网关的设计

良好的人机交互界面在物联网系统中是很重要的。QT技术在嵌入式linux的UI最常用到的。QT是跨平台的C++应用程序和UI开发的框架。在本系统中的QT应用程序开发中，先将传感器数据信息服务程序的API进行一定的封装，以便于使用的相关接口函数，使其能够在QT环境下弹出显示各类传感器信息的窗口。这些函数都被封装在各自传感器对应的Sensor类中，需要传感器信息的时候，调用对应传感器的showOut（）函数用来显示传感器采集到的数据。

4 系统实现

为了便于远程访问，系统将ZigBee技术和web技术结合起来，将传感器采集到的数据保存在数据库中，建立基于B/S模式的远程数据访问系统。

该系统的远程监控网络页面通过浏览器来来访问。系统页面分为登陆界面和主界面，主界面可以实现房间内各项数据的监测，以及对警报的控制。这些监控包括房间的温湿度，CO浓度，空气质量监控等。

5 结论

本文研究了一种基于物联网技术的智能家居远程控制系统，可以实现家居环境的监测和报警，家电设备运行状态的远程查看和控制。该系统通过综合利用ZigBee无线传感器技术，GPRS手机通信技术以及互联网技术实现。系统扩展性好，组网方便，操作简便，运行稳定，应用成本和功耗都很低，具有很大的应用前景。本系统也为物联网在未来生活中的应用提供参考。

参考文献

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