智能家居網(wǎng)關綜合系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)論文

　　1 概述

　　隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、無線通信技術的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)開始應用于社會各個領域，并不斷改變著人們的生活和生產(chǎn)方式。智能家居系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)不斷普及時代應運而生的典型智慧工程案例，通過應用短距離無線通信方式，將傳感器、家用電器、多媒體等設備互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與控制。智能家居系統(tǒng)采用嵌入式技術，使用網(wǎng)關傳感節(jié)點和平臺管理軟件對數(shù)據(jù)進行采集、傳輸與管理。在智能家居系統(tǒng)中，智能網(wǎng)關作為統(tǒng)一收集家居環(huán)境中各電氣設備的信息及運行狀態(tài)的重要設備，對整個智能家居系統(tǒng)的性能起著關鍵性作用。通過智能網(wǎng)關，實現(xiàn)家居系統(tǒng)中各個節(jié)點互聯(lián)，用戶可以隨時隨地查看居室環(huán)境、控制家庭中的電氣設備。因此，采用當前主流傳輸技術——無線射頻收發(fā)技術及嵌入式管理平臺，設計基于ZigBee 技術的智能家居網(wǎng)關綜合系統(tǒng)，對開發(fā)及優(yōu)化智慧家居系統(tǒng)具有重要意義。

　　2 智能家居網(wǎng)關綜合系統(tǒng)設計

　　2.1 智能家居系統(tǒng)功能分析

　　結(jié)合實際應用，智能家居系統(tǒng)主要實現(xiàn)安全監(jiān)測、信息獲取、節(jié)點控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統(tǒng)。

　　(1)家庭安全子系統(tǒng)：實現(xiàn)廚房安全監(jiān)測、燃氣數(shù)據(jù)超標監(jiān)測、廚房報警，當狀態(tài)超出控制范圍，由網(wǎng)關發(fā)送警情短信給業(yè)主，或撥打電話給物業(yè)。(2)智能控制子系統(tǒng)：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)對電視、冰箱、空調(diào)等家電設備的控制。燈光控制則通過無線的方式實現(xiàn)對燈光、強電智能開關控制器等設備的控制。(3)宜居生活子系統(tǒng)：包含生活服務提示、居室傳感器與家用電器的反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從互聯(lián)網(wǎng)中即時獲取當?shù)靥鞖庑畔�，具有推送信息、提醒等功能。居室傳感器與家用電器的反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫濕度節(jié)點與空調(diào)扇及加濕器等居室溫濕度自動調(diào)節(jié)、光線節(jié)點與窗簾/照明燈的光線自動調(diào)節(jié)、紅外轉(zhuǎn)換器代替多個遙控器的紅外控制等。(4)系統(tǒng)設置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動家庭安全,關閉宜居生活;居家模式啟動家庭安全,啟動宜居生活的基本級別監(jiān)控;自由模式可根據(jù)用戶生活習慣自由設置。在系統(tǒng)設置中可以預設電話，比如業(yè)主或物業(yè)電話等。因此，結(jié)合以上智能家居系統(tǒng)功能，智能網(wǎng)關綜合系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)中的重要構成，主要負責數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。

　　2.2 綜合系統(tǒng)架構設計

　　在整體系統(tǒng)功能分析的基礎上，進行了綜合網(wǎng)關系統(tǒng)的架構設計，系統(tǒng)架構包含ZigBee 可燃氣體傳感器節(jié)點、ZigBee 窗簾控制器節(jié)點、ZigBee 溫濕度節(jié)點、ZigBee 光線傳感器節(jié)點、紅外轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、ZigBee 控制插座等。

　　智能家居網(wǎng)關綜合系統(tǒng)采用先進的無線通信技術，通過ZigBee短距離無線通信方式實現(xiàn)家庭基礎設施與網(wǎng)關的互聯(lián)互通，省掉了繁瑣的布線。傳感器/執(zhí)行器采用2.4G 頻段，與智能網(wǎng)關之間以ZigBee 技術實現(xiàn)無線連接方式，通過Wifi 或Ethernet 將網(wǎng)關接入局域網(wǎng)，或通過GPRS/3G 模塊將網(wǎng)關接入移動互聯(lián)網(wǎng)。

　　3 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

　　基于以上對智能家居系統(tǒng)功能、智能家居綜合網(wǎng)關系統(tǒng)的設計架構分析，系統(tǒng)硬件的實施主要包含智能網(wǎng)關、可燃氣體傳感器、無線窗簾控制器、溫濕度傳感器、無線插座繼電器等元件。

　　3.1 智能網(wǎng)關

　　智能網(wǎng)關是該系統(tǒng)中的核心構件，通過智能網(wǎng)關，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與wifi 網(wǎng)絡的無縫對接，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。傳感器感知并采集數(shù)據(jù)后，發(fā)送至此網(wǎng)關，網(wǎng)關再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸至wifi 網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用高性能的四核Cortex-A9 核心板，該核心板采用三星Exynos4412 作為主處理器，運行主頻可高達1.5GHz，Exynos4412 內(nèi)部集成了Mali-400 MP 高性能圖形引擎，支持3D 圖形流暢運行，并可播放1080P 大尺寸高清視頻。

　　ZigBee 網(wǎng)關的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE802.15.4 和ZigBee 應用，經(jīng)濟且低功耗，且支持無線更新和大型應用程序，可編程輸出功率達到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA 的電流損耗，具有強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎。

　　圖2 網(wǎng)關芯片

　　3.2 可燃氣體傳感器實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)選用MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用于家庭或工業(yè)上的液化氣、煤氣天、燃氣監(jiān)測裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對液化氣、天燃氣、煤氣較好的靈敏度和快速響應及恢復特性。

　　RGA：讀可燃氣體傳感器

　　地址段：用于存儲傳感器模塊地址

　　命令：RGA

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：GAzzz(3 字節(jié)ASCII 碼數(shù)據(jù))

　　可燃氣體傳感器測試ASCII 數(shù)據(jù)為“123”表示可燃氣體的ADC

　　采樣值為0x7B。

　　3.3 無線窗簾控制器實現(xiàn)

　　通過ZigBee 模塊無線控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)窗簾的開啟與閉合。該模塊分兩路對窗簾進行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時實現(xiàn)雙層窗簾家居應用的要求。

　　TDP：窗簾控制器

　　地址：用于存儲傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：yy == D1/D2 +0/1/2

　　D1/D2：表示窗簾1 或2

　　0/1/2：0 表示窗簾開1 表示窗簾關，2表示暫停

　　地址：傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：OK

　　3.4 溫濕度傳感器選型

　　選用SHT1x，包括SHT10, SHT11 和SHT15 型號。SHT1x 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板。

　　RSH：讀高精溫濕度傳感器

　　地址段：用于存儲傳感器模塊地址

　　命令：RSH

　　WD 代表溫度傳感器，SD 代表濕度傳感器

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：WD/SD+zz(2 字節(jié)16 進制數(shù)據(jù))

　　2 字節(jié)16 進制數(shù)據(jù)需要計算后，可得到溫度或濕度值

　　3.5 無線插座繼電器選型

　　無線插頭是最重要的控制元件之一，用于遙控、遙測、通訊、自動控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。

　　TRE：測試繼電器

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

　　E1/E2/E3/E4：表示繼電器1 或2

　　0/1：1 表示閉合0 表示斷開

　　地址：傳感器模塊地址

　　數(shù)據(jù)：OK

　　4 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

　　通過以上功能分析及系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了以嵌入式為基礎，采用Android4.0，通過網(wǎng)關采集家居設施各相關節(jié)點數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)宜居生活、智能控制、家庭安全監(jiān)測等功能的智能家居網(wǎng)關綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)實施過程中，按節(jié)點的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數(shù)據(jù)的同時，寫入到后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)為安防報警傳感器設置一定的閥值，在超過值時提示報警信息，并可以通過3G 發(fā)送到移動終端。

　　5 結(jié)束語

　　綜上所述，在智能家居控制系統(tǒng)中，智能家居網(wǎng)關是整個系統(tǒng)的中心結(jié)點，它在系統(tǒng)應用過程中承載著上傳下達的功能，通過對系統(tǒng)功能需求進行具體分析，構建了基于嵌入式的系統(tǒng)整體架構，并在架構基礎上，進行了硬件系統(tǒng)的整體設計。系統(tǒng)采用了低功耗的ZigBee 技術及當前流行的安卓應用技術開發(fā)，具有良好的應用推廣價值。