一種基于ZigBee的智能家居環(huán)境信號(hào)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/ 戚仕鵬¹ 謝屈波¹ 何山² 1.華中科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(湖北 武漢 430074) 2. 華中科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院(湖北 武漢 430074)

摘要：本設(shè)計(jì)基于德州儀器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee協(xié)議與無(wú)線局域網(wǎng)混合的方式，實(shí)現(xiàn)感知家居的環(huán)境參數(shù)采集和遠(yuǎn)程家電控制功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、功耗低、穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的市場(chǎng)前景。

引言

　　伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各類(lèi)民用級(jí)電子產(chǎn)品開(kāi)始能夠連接云端，帶有APP的智能硬件如雨后春筍般涌現(xiàn)到消費(fèi)電子市場(chǎng)，其中不乏適用于家用環(huán)境的智能家居類(lèi)設(shè)備。智能家居作為一項(xiàng)提出多年的概念，由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各大品牌的設(shè)備相互不能兼容，所以一直沒(méi)有得到騰飛式的發(fā)展。谷歌收購(gòu)NEST溫控設(shè)備，蘋(píng)果公司發(fā)布HomeKit，微軟發(fā)布WinXiot版本，預(yù)示著國(guó)外IT巨頭看好智能家居市場(chǎng)并積極布局。

　　作為隱藏在智能家居背后的通訊協(xié)議，除了普通居民耳熟能詳?shù)腤i-Fi(家用局域網(wǎng))外，低功耗的短距離傳輸協(xié)議(如ZigBee、藍(lán)牙和Zware等)也已發(fā)展成熟穩(wěn)定，物聯(lián)網(wǎng)使得設(shè)備間也能相互通信。不同品牌設(shè)備之間的開(kāi)放與互聯(lián)互通，將原有的信息孤島相互聯(lián)系起來(lái)將成為未來(lái)的大趨勢(shì)。2016年3月8日，海爾向開(kāi)發(fā)者開(kāi)放了U+平臺(tái)，美的集團(tuán)也向第三方開(kāi)放了M-Smart的SDK(軟件開(kāi)發(fā)工具包);3月31日，微軟也發(fā)布了MS Bot Framework機(jī)器人框架，巨頭們的紛紛表率預(yù)示著更多的廠商將會(huì)開(kāi)放自身的軟硬件平臺(tái)，使得家電設(shè)備，以及越來(lái)越多的智能硬件單品可以整合到一起。

　　舊版本的智能家居系統(tǒng)大多采用總線控制，裝修布線的成本非常高，并且嚴(yán)重降低用戶體驗(yàn)。新一代智能家居產(chǎn)品以小米和華為的最新產(chǎn)品為例，均采用Wi-Fi與ZigBee協(xié)議。本文介紹了一種兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高的環(huán)境信息采集和家電控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

　　要實(shí)現(xiàn)一套性價(jià)比較高的智能家居系統(tǒng)，所需的功能由用戶的核心需求來(lái)決定。根據(jù)馬斯洛需求層級(jí)，生理和安全方面的需求應(yīng)當(dāng)放在首要實(shí)現(xiàn)的位置，實(shí)現(xiàn)的功能必須包含安全防盜、火警、有害氣體檢測(cè)和危險(xiǎn)情況及時(shí)報(bào)警;其次是生活的便利化，包括對(duì)家庭環(huán)境的隨時(shí)隨地查看，家電的遠(yuǎn)程控制等;最后是需求的個(gè)性化，例如SOHU辦公、孕嬰或行動(dòng)不便、視力障礙或聽(tīng)覺(jué)障礙等情況，是用戶分散的長(zhǎng)尾需求指標(biāo)。用戶用例如圖1所示，通過(guò)PC電腦瀏覽器或移動(dòng)APP均可實(shí)現(xiàn)，本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端。

　　根據(jù)用戶的需求，考慮實(shí)際的居家場(chǎng)景和使用習(xí)慣，本文介紹一種可行的解決方案。首先，環(huán)境參數(shù)采集需要使用傳感器，包括溫濕度、被動(dòng)人體紅外、光照強(qiáng)度、煙霧及瓦斯探測(cè);若增加成本，可以加入攝像頭和PM2.5檢測(cè)傳感器;其次，為了降低裝修布線成本，采用無(wú)線方式，即無(wú)需布線。通訊協(xié)議優(yōu)先考慮WLAN+ZigBee混合的方式是由于WLAN的普及程度高，ZigBee協(xié)議的功耗低(可以使用電池工作)，且覆蓋半徑(有墻干擾約20m)比藍(lán)牙高。最后，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢控制，云端服務(wù)器和移動(dòng)端APP將是最便利的途徑。整套系統(tǒng)的抽象架構(gòu)框架如圖2所示。

　　綜合考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性價(jià)比來(lái)進(jìn)行硬件芯片的選型。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)攝像頭和智能家電，其具體的連接參數(shù)和控制接口都在各自設(shè)備的官網(wǎng)指定，例如海爾的U+和美的的M-smart。為了降低裝修成本，采用低功耗的無(wú)線通訊協(xié)議，并將設(shè)備直接黏貼在墻上，用電池工作是最快捷、最經(jīng)濟(jì)的方案，也是目前絕大多數(shù)廠商的選擇。再綜合考慮兼容性問(wèn)題，例如小米和華為的智能家居設(shè)備已經(jīng)采用了ZigBee協(xié)議，通過(guò)Z-stack協(xié)議棧即可相互通信，所以我們選擇德州儀器提供的CC2530解決方案，穩(wěn)定性強(qiáng)且價(jià)格較低。其中，每個(gè)房間都可以安裝一個(gè)設(shè)備來(lái)采集信息(由用戶決定)，從設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)(Router)實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)和通訊。主節(jié)點(diǎn)的CC2530芯片工作狀態(tài)為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和組織，然后通過(guò)ESP8266芯片將ZigBee的信號(hào)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的WLAN數(shù)據(jù)。這樣，只要家中有無(wú)線路由器，即可聯(lián)通所有設(shè)備，從而兼容更多其他設(shè)備。關(guān)于主控設(shè)備，可以在云端服務(wù)器，可以是PC機(jī)，也可以是更低功耗的嵌入式設(shè)備，例如小米和360的路由器;如果追求功能簡(jiǎn)單穩(wěn)定，甚至可以是單片機(jī)設(shè)備。

　　如圖3所示，整套系統(tǒng)分為傳感器采集與傳輸、初始化配置、家電控制、安防報(bào)警和云端移動(dòng)端服務(wù)五大核心模塊，包含并具體實(shí)現(xiàn)圖1中的用例需求。

2 軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　關(guān)于傳感器的選型，如表1所示為高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)智能家居核心所需的部分配件，可以選擇的傳感器有超過(guò)二十種，均可通過(guò)網(wǎng)購(gòu)獲得。

　　硬件設(shè)備選型：德州儀器CC2530開(kāi)發(fā)板是由若干(從節(jié)點(diǎn))自制傳感器集成的裝置，如圖4所示。CC2530+ESP8266開(kāi)發(fā)板(主節(jié)點(diǎn))、pcDuino開(kāi)發(fā)板(主控設(shè)備)、無(wú)線路由器一枚(可選)和移動(dòng)設(shè)備(iOS和Android)。

　　圖4中通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，整合miniUSB電源和7號(hào)干電池供電，當(dāng)設(shè)備掉電時(shí)，可以馬上接通電池，保障穩(wěn)定運(yùn)行;通過(guò)GPIO接口將傳感器數(shù)據(jù)采集到第一轉(zhuǎn)接單元(如圖5);將數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過(guò)第二轉(zhuǎn)接單元(如圖6)發(fā)送到CC2530芯片(如圖7)，通過(guò)ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。