基于ZigBee和GSM的智能家居系统设计

龙源期刊网的智能家居系统设计作者：樊美钦李佩剑张和平刘广江王太程来源：《科学与财富》2015年第13期摘要：以保证房间内温湿度均符合人体需求为目标，以节约能耗和节约资金为前提，为完成对以上参数的实时收集和监控，采用了以传感网络技术为基础的温湿度参数采集系统，把CC2530当做中心控制芯片，把DTH11当做温湿度采集的信息收集终端，以ZigBee协议栈为基础设置透明的网络系统完成从中心到分支节点间的信息收集和传输，通过串口通信技术和GSM网络进行信息交流，移动客户端最后完成信息接收、显示和控制。关键词：ZigBee；GSM；温湿度采集；CC25301引言现代居民对提高其生活水平的要求不仅只是吃饱穿暖，他们更加关注的是生活的质量，随着计算机技术的普及和进步，现代居民对于自身居住空间提出的新的要求就是在加入现代科技元素的基础上进一步提升舒适程度。以智能家居为指导思想的现代家居建设就是在时代发展和现代居民居住的双重需求下产生的。本文以智能家居中的环境测控系统为研究对象，根据智能家居环境的特点，设计了一种基于ZigBee和GSM无线网络技术的智能家居环境测控系统。在本系统中，底层由低功耗、低成本、快速、可靠的ZigBee节点组成，包括采集节点和控制节点，各个节点又通过协调器组成星状网络；上层由移动端及GSM模块组成。信息采集终端把收集到的数据送至协调器，协调器处理数据完成后利用串口送至GSM模块，GSM模块再将信息通过GSM网络发送给远端的手机用户，手机用户可以在任何地方实时查看信息[1]；当用户想调节家用空调设备时，利用手机终端发送控制命令短信，命令数据利用GSM网络和ZigBee网络传送至控制终端端口，控制终端按照相关指令完成对应运作。2系统整体概述图1温湿度采集控制系统结构图本文应用的温湿度测控体系构造如图1所示。采用ZigBee星型网络拓扑，设置了1个协调器节点，2个从节点，保证信息的无线传送。采集节点连接采集传感设备——数字温湿度传感设备DTH11，每30分钟驱动DTH11采集一次环境温度，同时利用ZigBee无线网络传送相关数据信息至协调器[2]。控制终端连接继电器，通过ZigBee无线网络接收控制命令实现终端装置的开关调节。龙源期刊网组成。控制单片机选取STC12C5A60S2双串口单片机作为GSM模块和Zigbee协调设备之间信息交流的“介质”，串口1控制GSM模块，串口2与Zigebee协调器进行通信。GSM采用SIM300，SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块，可在全球范围内的EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作[3]。满足本文设计的要求。连接框图如图2所示：图2单片机与ZigBee和GSM通信连接图3.2主节点硬件功能CC2530可以用低廉的价格打造可扩展的可靠网络系统。芯片内融合了先进的RF收发设备和行业内标准的增强型8051CPU[4]。同时配备多种运作方式，促使它能够符合要求特别低功耗条件的体系。此芯片可以像单片机一样易操作，通过预留引脚可以很方便的实现功能的实现和扩展。主节点采用全功能设备作为协调器，负责无线网络的设置和维护、温湿度信息的接收处理以及和GSM的信息交流[5]。因此采用CC2530-F256（128kBFlash）芯片。3.3从节点硬件功能除协调器外，其他的终端节点起到室温度数据收集、传输及终端装置的调节作用，能够当简化功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD），以减少功耗和资金。从节点元件选取CC2530-F32（32kBFlash），它的硬件构成电路与主节点基本一致，仅仅去除串口转换电路，并且在从节点芯片的I/O口上接入温湿度传感器DTH11和继电器控制设备，以实现温湿度数据的采集和家电控制。3.3.1采集节点的功能DHT11是一种精确性较高的数字温湿度传感器。湿度在20～90%RH区间内，温度在0-50℃区间内，测湿准确度为±5%RH，测温准确度为±2℃，能够用3～5.5V电源供电，体积小、功耗低、价格便宜，可以实现家居空间温湿度监测的需求。DTH11的串行口DATA连接CC2530的I/O口P0.6，用于CC2530与DHT11之间的通讯和同步，选取单总线信息模式，信息由小数和整数构成，本文只采用整数，小数留待以后扩展采用。CC2530传输开始信号后，DHT11由低能耗变为高效率模式，直至开始信号传输完成后，DHT11发送响应信息，向外传递40bit的数据，同时启动一次数据采集[6]。采集节点与传感器的连接见图3。龙源期刊网控制节点的功能控制节点采用电磁继电器，通过在线圈两端加上一定的电压，使继电器在磁场作用下开关和闭合，本文采用CC2530引脚输出的低电压控制继电器开关闭合，实现控制空调设备的开启和关闭。继电器与控制分支的连接方式见图4。根据本设计的实际需要，所有节点均可选取可充电的3.7V锂电池以便获取电量。4系统软件设计4.1温湿度传感器数据采集ZigBee节点均采用的是Zstack2006协议栈，节点上电后，协议栈OSAL重启系统，完成事件注册、串口以及显示的初始化，OSAL通过轮询触发用户事件，在用户事件中首先检测网络状态是否变化，网络变化时，节点请求加入已经建立的ZigBee网络，并分配到相应的短地址，入网成功后，每30分钟执行一次DTH11驱动程序采集数据，将数据转化为字符，并通过采集节点LCD显示，之后调用自定义的点对点发送函数，将数据包发送给协调器，当数据发送成功后该节点立即进入睡眠状态，最大程度地降低功耗。协调器收到数据后处理上传，发送成功后循环上面的过程。为了降低数据冗余性，我们采用了采集节点到协调器的点对点传送数据。温湿度传感器数据采集程序流程图如图5所示。图4继电器与控制节点的连接图5温湿度采集流程图4.2继电器控制器控制节点的初始化与采集节点相同，在成功加入网络后，在用户事件触发时检测是否有来自协调器的无线信息，检测到之后进入信息接收处理函数，判断接收到的信息是“K”还是“G”，为“K”则向P0.3口发送高电平，使继电器闭合打开空调，若为“G”则发送低电平断开继电器，关闭空调。4.3ZigBee无线组网及数据通信本文主节点被初始化为协调器设备，从节点被初始化为终端设备。各节点上电复位后，协调器建立网络，建立网络成功后，各终端节点开始搜索指定信道上的网络协调器，并发出连接请求。连接成功后，终端可获取独立16位的网络短地址，同时选取非时隙CSMA-CA机制龙源期刊网[8]，利用公平竞争的方式获取优先选择权，向协调器传输信息。协调器查看串口是否收信息“D”，收到时协调器接收采集终端的数据并将数据信息发送给GSM模块，由GSM模块发送给手机客户端。协调器收到串口数据为“K”或“G”，则通过ZigBee无线协议将“K”或“G”发送给控制终端，终端采取相应操作。主从各节点的组网及通信流程如图7所示。图6继电器控制流程图图7主从节点组网通信流程图4.4GSM模块串口通信及控制当GSM接到采集温度的信息时，GSM将信息传送给单片机串口1，单片机识别，并利用串口2向ZigBee发送请求温度的指令。当Zigbee协调设备收到请求数据信息后，把收集到的温湿度信息利用串口2输送至单片机，单片机通过GSM的AT指令，将温度信息包装成短信内容输送至GSM模块，通过GSM输送给使用者。使用者接到短信后，读取短信内容即可看到温度信息。GSM与单片机通信流程图如图8所示。5结束语本文应用了一种以GSM和ZigBee技术为基础的虚拟网络温度收集体系，采用CC2530芯片设计主从节点，硬件结构精简、体积小、能耗低，所组成的信息输送网络具有自动调节、自动调整的特征。利用测试调整，此温度收集体系实现了应用需求，实际运作状况平稳。鉴于无线传感网络技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、实现成本低等诸多优点，能够普遍用在生产生活的众多行业，特别是数字家居、非人工控制大厦的温度调节、小区安防监管等，拥有很好的通用效果和应用前景。参考文献[1]胡静.基于ZigBee和GSM技术的智能家居系统设计与研究[D].宁波大学，2013.[2]欧亚军.基于ZigBee技术的智能家居系统设计与实现[D].湖南大学，2013.[3]刘光.基于Zigbee与以太网的智能家居系统设计[D].大连理工大学，2012.[4]王娟.基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D].东华理工大学，2013.[5]秦茂盛.基于ZigBee的智能家居系统设计[D].太原理工大学，2011.[6]蔡俊宇.基于Linux的智能家居系统设计与实现[D].武汉理工大学，2010.[7]赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海交通大学，2007.龙源期刊网[8]詹良.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[D].北京邮电大学，2008.龙源期刊网龙源期刊网