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智能家居无线网络的关键技术研究和系统设计

伍巍

摘要：随着人们家居观念的改变，智能家居成为必然的发展趋势。低成本、低功耗、易于维护、稳定性好的智能家居控制系统的研发和自动控制、计算机和通信等多个领域有关。家庭联网模式直接关系到智能家居控制系统的灵活性。本文结合ZigBee技术和iOS系统设计了智能家居无线网络系统。
关键词：ZigBee;智能家居;无线网络
：TP311      ：A
：1009-3044（2021）26-0153-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
智能家居网关最初是由工业论坛组织定义的。它表示一个集中式智能接口，该接口将外部网络连接到家庭并连接家庭的内部网络。实际上它是整个家庭网络的简单，智能，标准化和灵活的接口单元，能接收各种外网的通信信号，然后经由家庭网络将其发送到各种家居设备。为了实现远程监控家庭状态和家居终端的交互操作，联网和对家庭网络的访问是核心问题。ZigBee技术是一种新型的短距离，低功耗，低成本的无线传感器网络技术，适用于家庭、楼宇自动化、工业控制、医疗等领域的应用，是介于无线标签、蓝牙之间的一种技术解决方案，具有自己的无线标准，可以协调许多小型传感器之间的信息传输。在未来，智能家居可用无线网络通信技术来形成自己的网络，所有智能家居设备均使用统一的通信协议连接到Internet，可以通过移动电话和计算机监控家庭中的各种设备，并真正实现家用电器的计算机化和联网，可以实现功耗更低，尺寸更小，价格更低的控制模式，使普通家庭可以购买和使用。
1 系统结构
通过对现有的智能家居控制系统开展对比分析，根据其发展趋势制定相关的设计原则和规范，基于iOS平台设计智能家居系统，由无线传感器网络、智能网关、路由器和家用电器网络组成，智能家居无线网络系统框架如图1所示。
本次智能家居控制系统设计分为两部分：硬件设计和软件设计。
硬件：WiFi模块采用的芯片是RT8800，ZigBee通信模块选用CC2530单片机，构建家庭内网，实现基于串行端口的数据交换[9]。智能家居的全部通信均由控制网关转发。控制网关、手机等终端经由WiFi接入网络，进行信息交互和远程控制。
软件：将iOS作为终端系统，提供多功能控制界面，软件设计包括界面、通信等部分的设计，设计目标是提供最切合用户需求的控制软件系统，使用户可以通过控制软件控制家庭中的电气设备。
在家庭内部，网络基于ZigBee星型拓扑网络构建，烟雾、湿度、温度等各种传感器，传感器等节点基于ZigBee CC2350模块运行[10]。在系统运行时，传感器通过ZigBee模块将提供收集的设备状态信息发送到智能控制网关，经过相应的运算分析，并将分析结果反馈给移动终端，实时呈现家庭环境状态信息，实现自动控制家用电器。
2 硬件设计
2.1 主处理器的选用
该系统主要作用是控制家用电器并提供报警功能，处理的数据量很小，考虑到成本，选取8051单片机作为主处理器，连接到主处理器的ZigBee芯片cc2430还集成了可以起到辅助处理作用的MCU。每个ZigBee节点都有一个MCU，因此主处理器可以调整和处理简单的数据量信息功能，完全满足设计需求。
2.2控制网关设计
控制网关是智能家居控制系统重要组成部分，是家庭内外网络之间的通信桥梁，主要负责数据交换和协议转换。设计时应该遵循低功耗、高可靠性、小尺寸、安全和易于系统升级的标准，图2为控制网关硬件框架。
在家庭外部，WiFi经由RS232接口将家庭网络接入本地无线LAN，以便远程控制家庭终端设备。智能家居控制网关通过Internet与远程服务器连接，移动终端通过移动网络与家庭智能网关互联以获取有关家庭电器设备的实时状态，远程控制家庭电气设备。
控制网关通过串行端口与ZigBee模块连接，进行WIFI、ZigBee的信号转换。WiFi模块发送数据。 ZigBee无线模块提供传感器数据以及进行控制信号收发。
2.2.1 WiFi模块设计
本文使用台湾Ralink（Ralink）RT8800芯片提供WiFi信号。RT8800是基于802.11协议的高度集成的低成本SOC芯片，可轻松进行二次开发。RT8800共有两个串行端口，DART Lite和DART Full。 RT8800的基本功能[11]：
1）高性能360MHz mips24kec CPU 核心处理器
2）USB 3.0主机/设备接口，5端口千兆交换机
3）传输速率可达15OMbps
4）兼容802.11 b/g标准
5）集成2.4GHz射频单元、802.11n基带处理器
2.2.2 ZigBee模块设计
主要作用是为外网和家庭内网之间的交互提供通信接口。智能家居系统使用ZigBee来完成家庭联网，选用的硬件是CC2530，为每个设备系统配置相应的无线节点，节点基于无线网络相连[12]。ZigBee无线模块节点包含主节点、从节点。ZigBee模块可以实时收集节点信息，并将其发送到每个主节点，或者从系统接收控制命令完成终端设备操作。ZigBee协调器基于一个串行端口，用于在数据级别与主控制器进行交互。图3显示了ZigBee网络结构图。
ZigBee网络结构包括设备地址识别模块、无线收发器、模拟无线模块、数据包过滤模块。CC2530的独特设计质量非常出色，可提供非常高质量的通信链路，出色的接收灵敏度和强大的抗干扰能力，CC2530能够采集多种数据，如湿度、温度等。
2.2.3串口模塊设计
串行端口模块选用PL2303HX芯片，可调节输出电压，能够适应多种应用要求。基于串行端口实现基础硬件连接的主要优点是，仅通过完整的数据验证和判断，就可以降低协议规范复杂度，精简数据格式。ZigBee网络必须集成到控制网关中，并且ZigBee网络收集的数据必须实时上传到智能家居控制网关的WiFi模块。但是，ZigBee和WiFi的协议规范不同。
2.3终端节点模块设计
所有终端节点均基于ZigBee网络，主要作用是采集各种数据并在家庭中执行控制操作。采集各终端节点实时反馈的数据，接收查询命令。终端节点模块功能通过基于CC2530芯片PLC传感器实现，其硬件构成如下图所示。
该模块的主要作用是监视诸如家庭环境中的温度和湿度，烟雾数据，人体红外传感器，智能光控开关等数据。它是在应用程序中反馈并最终实现运行状态信息并执行系统，实时进行异常报警处理操作。
3 系统通信设计
3.1 控制网关通信设计
本次设计中，iOS客户端软件使用Socket接口来组织数据，通信协议采用TCP / IP协议。使用Socket的目的是可以防止TCP/IP的复杂性受到调用上层进程的影响。服务器初始化，创建Socket，绑定端口绑定以监视端口，调用Accept执行中断操作，客户端等待连接请求，再将其发送到服务器，接收到客户端的连接请求后，立即取消当前中断状态，实现服务器、客户端连接，通过Send方法来进行数据传输，通过Recv方法进行数据接收，通信完成后服务器、客户端自动断开连接。控制网关通信流程如图5所示。
在本文中使用CFNetwork框架开发Socket。CF Network已基于BSDSocket进行了扩展。 为了使Socket功能更易于用户使用，此处对网络协议进行一定程度的抽象，实现任务定期执行，最终实现数据批处理，使得程序中底层数据处理和调用更高效。
3.2 客户端、服务器通信设计
客户端基于SOAP协议调用Web服务接口，和服务器通信。客户端使用Socket发送命令以直接控制电气设备。SOAP协议轻巧，简单，并且基于XML协议，使用RPc作为调用方法，并使用XML作为基础数据传输格式。客户端、服务器通过Web服务接口进行数据交互，基于XML格式化接口参数，然后使用HTTP协议将请求发送到.NET服务器并等待响应。客户端和服务器之间的数据交互遵循Http协议，信息和数据的传输基于该协议。Http协议提供可靠的关系，功能齐全的数据接收系统。
3.3 ZigBee节点设计
在本文中，ZigBee节点应用程序是用C语言编写的，采用Z Stack协议栈。下面介绍ZigBee协调器和ZigBee终端节点的软件设计。
3.3.1协调器编程
协调器的作用是组建ZigBee无线网络，充当客户端、ZigBee网络的通信桥梁。上协调器上电后，系统初始化，包括硬件、网络的初始化，设置关键参数，如PANID（网络ID），选择合适的信道，将16位网络地址分配给协调器节点（默认为0x0000），建立ZigBee无线网络。然后协调器检测网络中是否由新节点加入，获取新节点的IEEE地址，存储节点地址，进而创建地址表。最后，调用事件处理函数控制终端节点任务，接收传感器数据。
4 结论
综上所述，本次设计的智能家居无线网络系统是基于单片机运行的，该系统将远程控制与集中式本地控制集成在一起。实现家用电器设备的本地和远程控制，以构建舒适，安全，便捷的生活空间。
参考文献：
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[7] 常赟杰，張位勇，李桂香.基于Web Service的智能家居系统设计与实现[J].计算机时代，2017（3）：44-47.
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[10] 赵秋霞，李亚敏，王娟.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].农业网络信息，2015（2）：42-45.
[11] 周维.基于Web技术的智能家居控制系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.
【通联编辑：唐一东】

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