基于基于ZigBee的物联网智能家居控制系统的物联网智能家居控制系统
设计了一种基于ZigBee的物联网智能家居控制系统的总体方案,通过分析各种无线通信技术的特点和应用场
合,设计了以Linux系统为核心、以ZigBee无线通信技术进行信号传输并以GPRS通信技术进行系统远程监控的
物联网智能家居控制系统,实现了对智能家居的统筹管理,体现了智能家居的网络化、人性化和智能化。
1系统总体设计系统总体设计
在本设计中,物联网智能家居控制系统由安装在室内的智能控制终端组成,该智能终端主要包括
家庭网关是整个家居控制系统的核心,它不仅负责内部网络与外部网络之间的相互通信,而且还通过ZigBee无线通信网
络对设备终端进行实时监控和管理。家居内的各种智能用电器通过无线网络互相连接,交换信息。家居安保系统将门禁控制、
可视对讲、防盗、防火、防风雨等一系列系统有机整合,保证家居的安全性。安装在室内的各种传感器均通过ZigBee无线通
信网络与ARM控制器通信连接,当传感器探测到室内有异常情况时便通过ZigBee通知ARM控制器,ARM控制器根据不同的信
号做出各种相应的处理。借助于家庭网关,用户可以利用计算机通过以太网对家居内各种家用电器实施远程操作或对室内进行
远程监控。当用户不方便利用计算机时,还可以经智能手机通过GPRS无线网络实现对家居的远程监控。本系统还设有友好的
图形用户界面(GUI),该界面能够显示系统内各部件的运行信息,用户可以方便地对家居内设备的运行情况进行查询。
2 系统硬件设计系统硬件设计
系统硬件结构图如图1所示。本设计中家庭网关的控制模块采用韩国三星公司的S3C2440,它是16/32位微处理器芯片,
该芯片的CPU采用的是ARM920T内核,比一般的单片机运行速度快(主频可达405 MHz),能够很好地满足系统对实时性的要
求。同时,S3C2440芯片还具有三通道UART、两通道SPI、两路全速USB主设备芯片,可以方便地对外围设备进行扩展[2]。
因此,针对本文中家庭网关的设计要求,在此芯片的基础上加入了电源模块、按键与显示模块、以太网模块、无线传输模块、
报警模块和GPRS模块等一系列相关外围设备。S3C2440还具有内存管理单元(MMU),可以很好地运行Linux嵌入式操作系
统,而且对图形界面的开发也很方便,同时其性能高、功耗低和价格低的特点也完全符合本系统的设计要求。
2.1 ZigBee模块模块
ZigBee技术是一种新兴的近距离无线通信技术。它是IEEE 802.15.4协议的代名词,根据这个协议规定的技术是一种短距离、
低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,用以实现在数千个微小的传感器之间互相协调
的通信[3]。
ZigBee具有功耗低、传输速率低等特点,还可以在设备闲暇时期进入休眠状态,仅靠两节5号电池就可以使ZigBee连续工
作半年时间。除此之外,ZigBee的通信响应时间非常短,仅为30 ms左右,而蓝牙需要3 s,WiFi更是需要10 s。通过分析与
比较并结合家居的具体环境发现,在所有的短距离无线通信技术中,ZigBee技术是最适合应用于物联网智能家居控制系统中
的。
从网络结构方面上看,ZigBee技术支持的网络形式有星状、树状和网状三种。在本系统中采用了星状网络结构形式。星状
网络由一个PAN协调器和多个终端设备组成[4]。在该结构中,当第一次激活一个全功能设备时,它会自动建立一个网络,该
网络以其自身为PAN协调器,并且与当前其他的星形网络相互独立。该网络只允许PAN协调器与终端间的通信,终端设备之
间需要经过PAN协调器这个中转站进行通信。星状网络通常应用在节点数目较少的场合,其同步和控制相对比较简单。本系
统采用的星状网络结构主要涉及ZigBee网络中的两种逻辑设备类型,即协调器节点与终端节点。协调器与家庭网关通过
RS232串行口进行数据传输,主要负责搜索有效信道和终端节点,创建内部无线网络,实现数据的转发功能。终端节点负责
接收协调器传来的命令,对相应位置的用电器开关和温度传感器进行控制,然后把对应的开关状态信息和温度值信息反馈到协
调器节点,最后把信息转发到家庭网关。
本系统采用美国德州仪器公司生产的CC2530来进行通信数据的收发。CC2530采用了新一代的2.4 GHz
2.2 电源模块电源模块
电源是整个系统的核心部分,关系到系统的正常运行。本系统在设计电源电路时主要考虑以下两个方面:(1)提高系统的运
行稳定性,在设计电源模块时加入了滤波电路和稳压电路;(2)实现低成本、高效率、简化电路设计的目的,采用稳定性较高的
5 V直流电压作为输入电压。由于S3C2440及部分外围器件需要3.3 V电源,在本系统中选用Linear Technology公司生产的
LT1085-3.3型DC-AC变换器来输出3.3 V电压。因为无线智能家居供电系统需要具备供电方便、续航能力强等特点,所以本系
统中的无线传感节点采用充电电池与太阳能电池板相结合的供电模式,这样设计的优点是成本低廉并且无需人工干预,体现了
智能化与人性化的特点。
2.3 以太网接口电路以太网接口电路
以太网是一种计算机局域网组网技术,是建立在CSMA/CD机制上的广播型网络[5]。以太网接口是物联网智能家居中一个非
常重要的功能模块,它能够实现系统的远程登录、资源的管理与共享,还能够完成系统的更新下载等功能。但是,本系统中所
使用的S3C2440芯片自身并不带有网络接口,要想得到相应的网络接口必须对其进行扩展。
理论上讲,直接把以太网水晶接头RJ45和以太网芯片DM9000相连便可实现网络接口的功能。但在本系统中采用的是
DM9000+H1102网络隔离变压器+RJ45的结构,其连接框图如图2所示。这样的设计有以下优点:
评论0