GSM與ZigBee技術在智能家居控制系統(tǒng)中的應用設計

第29卷第1期2012年3月廣東工業(yè)大學學報JournalofGuangdongUniversityofTechnologyVol．29No．1March2012收稿日期:2011-06-03作者簡介:易強(1987-,男,碩士研究生,主要研究方向為智能樓宇、嵌入式應用．GSM與ZigBee技術在智能家居控制系統(tǒng)中的應用設計易強,張向偉,徐悅(廣東工業(yè)大學自動化學院,廣東廣州510090摘要:研究ZigBee技術與GSM傳輸網絡在智能家居控制系統(tǒng)中的應用．詳細闡述了系統(tǒng)的原理和組成以及部分功能的軟硬件設計．通過設計兩個ZigBee終端節(jié)點和一個主控制器構成的無線傳感網絡實驗平臺,實現(xiàn)對智能家居參數(shù)的采集和控制,其結果是用戶利用隨身攜帶的手機可隨時隨地對家居系統(tǒng)進行監(jiān)控．關鍵詞:智能家居;ZigBee技術;GSM中圖分類號:TN92文獻標志碼:A文章編號:1007-7162(201201-0055-04TheApplicationofGSMandZigBeeTechnologyintheDesignoftheControlSystemforIntelligentHomesYiQiang,ZhangXiang-wei,XuYue(FacultyofAutomation,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,ChinaAbstract:ItmainlystudiestheapplicationofZigBeetechnologyandGSMtransmissionnetworkinthede-signofthecontrolsystemforintelligenthomes．TwoZigBeeterminalnodesandamastercontrollerweredesignedtocomposethewirelesssensornetworkexperimentalplatformsothattheparametersofintelligenthomeswerecollectedandcontrolled．Theresultsshowthattheuserusestheportablemobilephonetomonitorthehomecontrolsystemwheneverandwhereverhecan．Keywords:intelligenthomes;ZigBeetechnology;GSM隨著網絡技術和通信技術的不斷發(fā)展,以及人們對生活要求的不斷提高,實現(xiàn)家庭信息化、網絡化是當今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢．智能家居網絡指的是在一個家居中建立一個通信網絡,將家居中各種單元互相連接起來,實現(xiàn)對所有智能家居網絡上的家電設備的遠程控制和家居環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控[1]．網絡的連接方式大體可以分成有線連接、無線連接以及有線與無線相結合的方式．目前,大多數(shù)的家庭控制網絡采用的都是有線連接,有專用電纜與CPU相連．雖然有線連接方式具有穩(wěn)定可靠,高速率等諸多優(yōu)點,但同時具有可變性及靈活性不夠,維護和升級成本高等缺點．與此同時,無線網絡技術的發(fā)展以及在各領域取得的應用成果,也將大大促進家居智能化的進程．在未來的家庭中,無線網絡技術將逐漸替代有線網絡技術向無線連接方向發(fā)展．實現(xiàn)無線連接后,人們的生活空間會變得更加廣闊,當然,更重要的是無線連接能跨過時間和空間的限制,讓人們的生活實現(xiàn)真正的無限．ZigBee標準是一個正在發(fā)展中的低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標準,它是專為低速率傳感器和控制網絡而設計的無線網絡規(guī)范[2]．Zig-Bee以其低功耗、低成本和協(xié)議簡單的技術優(yōu)勢,應用于家庭和建筑物的自動化控制、消費性電子設備、工業(yè)控制等領域[3]．國外研究有應用ZigBee、GPRS模塊以及GPS技術實現(xiàn)特定地域的環(huán)境監(jiān)控[4],還有應用ZigBee技術用于人體生理參數(shù)的監(jiān)護、醫(yī)院病人監(jiān)護與管理[5]等．本文將無線傳感ZigBee網絡與擁有著龐大網絡基礎的GSM網絡相結合,應用于家居控制系統(tǒng),能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點,真正實現(xiàn)智能化的家居．1系統(tǒng)總體方案設計及系統(tǒng)原理1．1方案設計該控制系統(tǒng)由核心部分的充當家庭網關的智能家居主控制器和終端數(shù)據(jù)采集與控制節(jié)點組成,系統(tǒng)集GSM網絡與ZigBee網絡通信于一體,連接這兩種網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換．系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示．圖1系統(tǒng)總體框圖Fig．1Thewholesystem之所以采用此方案,是基于家居網絡的特點,以及考慮到用戶方便操作性．首先,家庭控制網絡中控制的對象主要是大量的家電開關和傳感器終端節(jié)點,數(shù)據(jù)量小,這種較大規(guī)模的低速率網絡需要一個低成本的節(jié)點組網技術．其次,家居內部網絡覆蓋范圍不需要很大,網絡節(jié)點由電池供電需要維持長時間工作．采用ZigBee星型網絡拓撲結構能完全滿足且使得系統(tǒng)更加簡單有效,便于擴展和升級[6]．最后,為了滿足用戶突破時間、空間的限制,實時查看和控制家居網絡中節(jié)點設備的要求,通過GSM網絡用戶使用隨身攜帶的手機以短信的方式來對家居狀況及家電設備進行監(jiān)控(經濟、實用、方便．另外,用戶在家中還能通過帶ZigBee模塊的遙控器以及控制器本身來實現(xiàn)對網絡中設備的管理．1．2系統(tǒng)原理由GSM模塊和ZigBee協(xié)調器模塊構成的智能家居控制器,充當家庭網關的角色．其中GSM模塊用于實現(xiàn)同用戶手機的通信,接受用戶的短信息命令或者發(fā)送終端節(jié)點數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息給用戶．而ZigBee模塊是為了實現(xiàn)與家庭內部設備節(jié)點的通信,主要發(fā)送經解析的用戶命令到相應的設備節(jié)點和接受節(jié)點信息．由ZigBee模塊搭配各種傳感器或者控制模塊組成的各終端節(jié)點,主要接受來自主控制器的命令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集或者設備控制等．總之,智能家居控制器作為家庭網關,一方面能實現(xiàn)本地的家居信息的顯示和集中管理．另一方面連通ZigBee網絡和GSM網絡,使得用戶可以通過GSM網絡以短信息的方式訪問ZigBee網絡,對家居環(huán)境進行監(jiān)控．此外,智能家居控制器還應當具備自動報警等功能,即當發(fā)現(xiàn)報警信號如有人惡意闖入、溫度超高等,控制器能立即處理并向用戶發(fā)出報警信號．2硬件設計ZigBee模塊核心選擇CC2430芯片,它是由Chipcon公司推出的實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng),是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoCCMOS解決方案．這種解決方案能夠提高性能,并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用及對低成本、低功耗的要求．它結合一個高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器．CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能,且外設資源豐富．作為終端節(jié)點,只要擴展合適的驅動電路和傳感器,就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及控制功能[7－11]．2．1主控制器硬件設計主控制器,也即網關硬件設計,以CC2430芯片基本應用電路(包括晶振、復位、天線以及供電電路為核心,外加按鍵、LCD顯示控制電路、串口和GSM模塊通信電路組成．利用CC2430的I/O口直接控制液晶,按鍵采用ADC采樣和直接電平讀取兩種方式,直接電平讀取可以掛到中斷I/O口上,可以有很快的響應速度．而ADC采樣可以節(jié)省幾個I/O口,通過幾個電阻分壓,可以判斷鍵值．協(xié)調器電源采用5V的變壓器供電,由于CC2430工作電壓為3.3V,所以還需將5V轉化為3.3V,這里選擇一片穩(wěn)壓芯片LM7805外加幾個電容即可．控制器電路框圖(省略了基本電路如圖2所示．圖2主控制器電路框圖Fig．2Maincontrollercircnit65廣東工業(yè)大學學報第29卷2．2終端節(jié)點硬件設計終端節(jié)點設計主要是以CC2430芯片為核心,外加一些傳感器、繼電器以及驅動電路組成．這里簡要介紹一個溫度采集以及驅動繼電器的節(jié)點設計,電路設計如圖3所示．溫度傳感器選用DS18B20,電路簡單,只需占用CC2430的一個I/O口．節(jié)點電源由一節(jié)12V干電池供電,由于DS18B20工作電壓為5V,而CC2430工作電源為3.3V,所以電源電路設計需將12V轉5V供溫度傳感器DS18B20工作,然后再變壓到3.3V供CC2430工作．這里選用穩(wěn)壓管LM7805和LM1117－3.3來實現(xiàn)電壓變換要求,電路設計如圖4所示．圖3終端節(jié)點電路框圖Fig．3Terminalnodecircuit圖412V-5V-3.3V電路圖Fig．412V-5V-3.3Vcircuit3軟件設計本系統(tǒng)采用IAR7.2集成開發(fā)環(huán)境,使用TI的Z-STACK協(xié)議棧．主控制器的主要任務是建立網絡,分配網絡地址給網絡中節(jié)點,實時更新和顯示節(jié)點數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息,并按照預先設定的報警條件進行判斷,以及輪詢按鍵任務、串口用戶命令任務;通過本地顯示或遠程用戶手機短消息的方式同用戶交互,實現(xiàn)對整個網絡的監(jiān)控．程序流程圖如圖5所示．圖5主控制器流程圖Fig．5Maincontrollerflow終端節(jié)點的工作流程主要是加入主控制器建立的網絡,監(jiān)控空中無線信號(主要是來自主控制器的命令信號,根據(jù)命令做相應處理,實現(xiàn)節(jié)點中傳感器數(shù)據(jù)的定時采集并發(fā)送到主控制器．程序流程圖如圖6所示．圖6終端節(jié)點流程圖Fig．6Terminalnodeflowchart75第1期易強,等:GSM與ZIGBEE技術在智能家居控制系統(tǒng)中的應用設計4軟硬件調試該系統(tǒng)在進行軟硬件調試過程中分3步進行,首先,ZigBee節(jié)點功能以及組網功能調試．系統(tǒng)采用了兩個終端節(jié)點,一個用于采集溫度值,另一個則用于繼電器控制電源開關,具備一定代表性．其調試過程主要是將主控制器串口與PC機相連,通過串口調試助手調試各模塊功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)．調試結果如圖7所示．其次,GSM網絡部分調試．這部分是利用現(xiàn)有的GSM模塊,插入一張移動的SIM卡,通過串口與單片機相連,單片機通過串口發(fā)送AT命令調試其通信功能．最后,聯(lián)合調試．將GSM模塊接入到主控制器進行系統(tǒng)聯(lián)合調試運行．結果顯示,在實驗條件下,ZigBee無線傳感網絡能快速組網,接受子節(jié)點入網,實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),并能通過GSM網絡與用戶交互．系統(tǒng)調試工具如圖8所示．圖7ZigBee網絡調試結果圖Fig．7ZigBeenetworkdebugresult圖8系統(tǒng)調試工具圖Fig．8Systemdebugtools5結論與展望本文研究的基于ZigBee技術與GSM傳輸網絡設計的無線傳感網絡模型,通過在家居環(huán)境中進行測試,能夠有效地進行通信,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠．相信隨著ZigBee技術的發(fā)展,在家電中嵌入ZigBee模塊以其成本、功耗、通用性的優(yōu)勢,將極大地改善我們的生活方式并有著廣闊的發(fā)展前景．隨著智能手機普及,3G網絡的發(fā)展,為了滿足更多應用的需求,系統(tǒng)可進一步研究將主控器開發(fā)為嵌入式的Web服務器,接入Internet．這樣一來,用戶還可通過手機或者PC機登陸瀏覽器,實現(xiàn)家居系統(tǒng)的監(jiān)控以及參數(shù)的設置,可極大地方便用戶．參考文獻:[1]高明明,惠曉威,林森．基于GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)腪igBee無線智能家居控制系統(tǒng)[J]．中國科技信息,2008(7:95-96．[2]李文仲,段朝玉．ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2007．[3]俞?。甖igBee無線傳感網絡的研究與實現(xiàn)[D]．上海:上海交通大學,2008．[4]Al-AliAR,ImranZualkernan,Fa-diAloul．AmobileGPRS-Sensorsarrayforairpollutionmonitoring[J]．IEEESen-sorsJournal,2010,10(10:1666-1670．[5]JunD,KangJ,KimJ,etal．Abodysensornetworkplat-formwithtwo-levelcommunications[C]∥IEEEInternationSymposiumonConsumerElectronicsTXIrving,2007．[6]張曼．基于Zigbee技術的智能家電控制系統(tǒng)[J]．住宅產業(yè),2009(Z1:78-79．[7]馬永強,李靜強,馮立營．基于ZigBee技術的射頻芯片CC2430[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006(3:45-47．[8]陳旭,方康玲,李曉卉．基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]．湖南工業(yè)大學學報,2008,22(6:59-61．[9]周留洋,龔衛(wèi)國,楊利平,等．基于復合通信方式的遠程智能家居系統(tǒng)[J]．計算機工程與應用,2007,43(4:227-230．[10]ChungW,YangCH．Remotemonitoringsystemwithwirelesssensorsmoduleforroom