關(guān)鍵詞：智能家居; zigbee; Anroid;無線傳感網(wǎng);遠(yuǎn)程控制
中圖分類號：TP302.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012) 05-1134-03
Design of Smart Home System Based on ZigBee and Anroid
JIANG Zhong, LIU Dan
(Computer Science and Technology Dept, Dalian Neusoft Instidute of Information, Dalian 116023, China)
Abstract: Smart Home System is in recent years an emerging field, it incorporates wireless sensor network technology and computer tech? nology. Smart Home System in the early stages in the development of the industry itself, with broad space for development. This article in? volved to ZigBee and Anroid System, design a kind of intelligent household system the general structure and the software and hardware so? lutions.
Key words: Smart Home System; zigbee; Anroid; wireless sensor network technology; remote control
1概述
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展及人們生活水平的提高，人們對于家庭居住環(huán)境提出了更高的要求，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是以住宅環(huán)境為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居的關(guān)鍵技術(shù)主要有智能控制及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)兩個部分。智能控制可以是本地控制或者遠(yuǎn)程控制；本地控制是指可直接通過網(wǎng)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對燈或其他電器的種智能控制;遠(yuǎn)程控制是指通過遙控器、電話、手機(jī)、電腦等來實(shí)現(xiàn)各種遠(yuǎn)距離控制。
2低成本智能家居系統(tǒng)的需求分析
目前，智能家居系統(tǒng)主要面向高端用戶，需要的投資大、對現(xiàn)有的家庭裝修需要進(jìn)行一定程度的改變。本系統(tǒng)將各種設(shè)備聯(lián)入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在基本不改動家庭裝修的前提下，可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中實(shí)用性最強(qiáng)的功能—遠(yuǎn)程控制和安防，將智能家居面向的客戶群體擴(kuò)展到普通家庭。
2.1安防系統(tǒng)
1）紅外人體傳感：能夠檢測到進(jìn)入檢測范圍的人體，并發(fā)送信息給用戶。
2）煤氣濃度傳感：能夠檢測煤氣濃度，超過一定限值發(fā)送信息給用戶。
3）煙霧傳感：能夠檢測煙霧濃度，超過一定限值發(fā)送信息給用戶。
4）家居監(jiān)控：用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居中重點(diǎn)部位。
2.2遠(yuǎn)程控制
1）熱水器遠(yuǎn)程控制：用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程控制熱水器進(jìn)行預(yù)先加熱2）空調(diào)遠(yuǎn)程控制：用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程控制空調(diào)進(jìn)行預(yù)先操作。
3智能家居系統(tǒng)分析
根據(jù)上述需求，我們設(shè)計(jì)了如下系統(tǒng)，如圖1所示。
智能家居系統(tǒng)分成無線傳感網(wǎng)和智能網(wǎng)關(guān)兩個部分，無線傳感網(wǎng)負(fù)責(zé)信息的采集和設(shè)備的控制，而網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理及與電信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。無線傳感網(wǎng)使用zigbee協(xié)議，而智能網(wǎng)關(guān)采用anroid技術(shù)。
3.1 ZigBee協(xié)議
對于設(shè)備或傳感器聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)應(yīng)用，往往需要相互間的通信，以交換測量數(shù)據(jù)和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包 括點(diǎn)對點(diǎn)或總線方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術(shù)便有了它的用武之地。
目前，市場上已有多家公司推出應(yīng)用于近距離通信的RF芯片產(chǎn)品，如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chip? con)，工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式應(yīng)用也采用了這類技術(shù)，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（或采用自己的專用標(biāo)準(zhǔn)）來制定MAC層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由用戶自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網(wǎng)應(yīng)用更可能存在問題；不同廠家的產(chǎn)品不具備互操作能力，不具有通用性。
ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，ZigBee采取了IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)：省電、簡單、成本又低的規(guī)格；ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無線擴(kuò)展。
3.2 Android技術(shù)
Android是一種以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由Andy Rubin開發(fā)，最初主要支持手機(jī)。2005年由Google收購注資，并組建開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)改良，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2011年11月數(shù)據(jù)，Android占據(jù)全球智能手機(jī)操作系統(tǒng)市場52.5%的份額，中國市場占有率為58%。
3.3 Android特征
1）提供訪問硬件的API函數(shù)，簡化像攝像頭、GPS等硬件的訪問過程
2）提供豐富的界面控件供使用者之間調(diào)用，加快用戶界面的開發(fā)速度，保證Android平臺上程序界面的一致性
3）提供輕量級的進(jìn)程間通訊機(jī)制Intent，使跨進(jìn)程組件通信和發(fā)送系統(tǒng)級廣播成為可能
4）提供了Service作為無用戶界面，長時間后臺運(yùn)行的組件
5）支持高效、快速的數(shù)據(jù)存儲方式
圖1智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
4硬件設(shè)計(jì)
4.1無線傳感網(wǎng)
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)，智能家居系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分成兩類：協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是無線傳感網(wǎng)的中心，負(fù)責(zé)組網(wǎng)并通過串口與網(wǎng)關(guān)相聯(lián);終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集環(huán)境數(shù)據(jù)和控制設(shè)備.無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)采用了TI公司的cc 2530芯片，CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530結(jié)合TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。
4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)原理圖
如圖2所示。
4.3終端節(jié)點(diǎn)原理圖（以溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)為例）
如圖3所示。
圖2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)原理圖
圖3終端節(jié)點(diǎn)原理圖
5軟件設(shè)計(jì)
圖4為智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：
圖4智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1）家電控制子系統(tǒng)利用zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)、熱水器等家電的集中控制和遠(yuǎn)程控制。
2）智能安防子系統(tǒng)感知環(huán)境中的危險因素，并及時報(bào)警。
3）家居監(jiān)控子系統(tǒng)對家居中特殊位置進(jìn)行集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
4）遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)通過手機(jī)或電腦對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。
6結(jié)論
智能家居是國家《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中重點(diǎn)扶持的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)具有成本低、實(shí)施方便的特點(diǎn)，采用ZigBee和Anroid技術(shù)為有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，具有一定的市場價值。
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