基于Zigbee技术的智能家居远程控制系统_于欣禾(1)

收稿日期：２０１４－１２－１２。

基金项目：辽宁省教育厅高等学校科学研究项目（Ｌ２０１３４１８）；辽宁省科技厅博士启动基金项目（２０１４１０９１）；沈阳师范大学博士科研项目启动基金。

作者简介：于欣禾（１９９１－），女，辽宁沈阳人，沈阳师范大学硕士研究生；通信作者：张浩华（１９７７－），男，辽宁沈阳人，沈阳师范大学副教授，博士，硕士研究生导师。

第３３卷　第２期２　０　１　５年　４月沈阳师范大学学报（自然科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２Ａｐｒ．２　０　１　５文章编号：１６７３－５８６２（２０１５）０２－０２６１－０４基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能家居远程控制系统于欣禾，张浩华，赵小姝（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳　１１００３４）摘 要：为了实现对家居安全情况的实时监控，依托３Ｇ网络和Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术设计了一套智能家居远程控制系统，引入多种传感器节点，实现家居内部设备实时监控。

通过３Ｇ网络，彩信和短信及时将监控图像和报警信息返回到手机终端，并可在手机终端远程发送、接收指令，实现对家居的远程智能控制。

重点阐明了基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的控制系统的硬件和软件设计以及多个家居设备的无线组网方法。

实验结果表明，所设计的系统能有效实现远程监控，具有一定安全性及实用性。

关　键　词：智能家居；Ｚｉｇｂｅｅ；远程控制；视频监控中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－５８６２．２０１５．０２．０３００　引 言随着各种现代化通信技术在生活中不断深入，人们对家居环境的追求越来越高。

因此，智能家居这个词被广泛引用。

俗称智能住宅的智能家居，以住宅为基础，将综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术集成化，创造高效的住宅环境与家庭日程事务的管理等，增强其安全性、快捷性、舒适性与艺术性，从而实现最佳的环保节能居住环境。

迄今为止，蓝牙技术、Ｚｉｇｂｅｅ技术和ＩｒＤＡ红外线技术都被广泛的应用在智能家居领域中。

由于蓝牙技术成本高，容量小，红外线技术失误率高，使用不便，而Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术具有低功耗、低成本、实用性强等优点，所以本文设计了一套基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能家居远程控制系统。

１　系统整体设计方案１．１　Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑选型主要运用在远程控制领域中的Ｚｉｇｂｅｅ技术是一种双向无线通信技术，其主要特点为：近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本。

Ｚｉｇｂｅｅ联盟制定了基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４，具有高可靠性、高性价比、低功耗的网络应用规格。

相对于ｗｉｆｉ、红外、蓝牙等技术，Ｚｉｇｂｅｅ技术传输速度更快，功耗更低。

Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑结构主要分为３种结构：网状网、星型和树型［１］。

采用Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑的哪种结构，需要根据不同的情况选取。

这是由于家居电器设备分布在不同的房间，受到墙壁等障碍物的影响，会对信号产生干扰。

网状网结构系统可靠性高，比较容易扩展，其缺点为复杂的结构。

简单的树型连结，方便维护［２］，其应用要求为信息的汇集，但稳定性不高，任何一个链路或工作站故障都会影响整个网络的操作。

星型结构简单，容易实现。

综合以上特点，选择星型结构作为Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑结构。

１．２　智能家居系统设计方案如图１所示，本文设计的智能家居系统包含手机终端子系统、网关子系统、ＣＭＯＳ摄像子系统、家图１　系统设计方案居设备子系统等。

由于采用Ｚｉｇｅｂｅｅ无线通信网络［３］，多个传感器的数据传输无需布线。

以嵌入式系统主板Ｓ３Ｃ２４４０Ａ［４］为核心，通过ＣＭＯＳ摄像头对家电设备的实时监控，进行数据接收并判断，然后将信息传送到嵌入式网关，再通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和３Ｇ网络对家居设备进行远程控制。

２　系统的硬件设计２．１　嵌入式网关嵌入式主板为Ｓ３Ｃ２４４０Ａ处理器，Ｓ３Ｃ２４４０Ａ处理器支持超大内存、支持ＴＦＴ彩色液晶显示屏、３通道ＵＡＲＴ、４通道ＵＭＡ控制器、２４个外部中断端口、１３０个多功能输入、输出端口等。

该处理器满足设计系统的各种需求，在同等功能的处理器中，基于Ｓ３Ｃ２４４０Ａ的性能是最为优秀的。

２．２　ＣＭＯＳ摄像头ＣＭＯＳ摄像头是一种采用ＣＭＯＳ图像传感器的摄像头。

ＣＭＯＳ摄像头［５］采用串口通讯协议，适用于分包传输，主机配置缓存小，使用２种输出电平———ＴＴＬ电平和ＲＳ２３２电平。

为了实现了与主机传输数据以及对命令的控制，通常采用串口通信。

主机的作用为设定图像分辨率、波特率等参数。

２．３　彩信模块设计彩信模块适用于相应的彩信协议，通过ＡＴ指令［６］对彩信模块进行控制，通过ＲＳ２３２接口实现对其指令的控制以及对数据的传输，彩信模块的Ｆｌａｓｈ存储空间最高达到６００ｋＢ，发送ＭＭＳ信息时可实现多张图片的上传。

２．４　Ｚｉｇｂｅｅ收发器件Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术采用ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准［７］作为其ＰＨＹ层和ＭＡＣ层协议。

因此Ｚｉｇｂｅｅ通讯模块也遵循ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准。

如ＴＩ公司的ｃｃ２５３０、ｃｃ２４３０、ｃｃ２４２０等芯片。

由于ｃｃ２５３０比ｃｃ２４３０芯片更小，内存更大，所以本次设计选用了ｃｃ２５３０芯片作为Ｚｉｇｂｅｅ收发器件，它集成了增强型８０５１处理器［８］和高性能射频收发模块，同时提供了较大的存储空间。

２．５　系统硬件接口设计图２　系统硬件接口设计如图２所示，在Ｚｉｇｂｅｅ模块中，串口通信主要是通过系统的主板与ＲＳ２３２接口实现，数据传输主要通过无线网络的形式实现，Ｚｉｇｂｅｅ模块与传感器节点通过Ｉ／Ｏ接口进行信息的传送，Ｚｉｇｂｅｅ模块与家用电器节点的相连是通过继电器控制家居设备的开关实现的。

设计过程为当ＣＭＯＳ摄像头［９］接收来的信息通过图像分辨率、波特率的计算与正常参数比对后，将数据传送到嵌入式网关［１０］，再通过３Ｇ网络以短信的形式发送给手机终端或通过互联网传送到ＰＣ机上。

３　系统软件设计系统软件开发采用了模块化设计方案，主要由Ｚｉｇｂｅｅ无线收发、图像采集处理、异常状态的检测３部分构成。

３．１　Ｚｉｇｂｅｅ无线通信模块１）如图３所示，在Ｚｉｇｂｅｅ无线通信模块中与其相连的是主板，其作用为：能够接收报警信息，其报警信息是由其他Ｚｉｇｂｅｅ模块发来的，或由主板发出的控制指令发送到其他Ｚｉｇｂｅｅ模块，其核心枢纽为主板与外部设备实现无线通信。

２６２沈阳师范大学学报（自然科学版） 第３３卷　２）如图４所示，继电器与家用电器连接时为接收状态［１１］，其他Ｚｉｇｂｅｅ模块发来的控制信息指令被接收时，控制家电设备执行相应的开关动作。

图３　Ｚｉｇｂｅｅ无线通信模块与主板相连程序图图４　继电器与家用电器连接结构图图５　继电器与传感器连接程序图３）如图５所示，继电器与传感器相连时为发送状态，由传感器发出的报警信号［１２］被Ｚｉｇｂｅｅ模块接收时，再将报警信息发送给其他Ｚｉｇｂｅｅ模块。

３．２　短信收发的实现基于Ｘｍｏｄｅｍ协议上传图片流程如图６。

彩信模块可使用ＭＭＳ和ＳＭＳ的收发功能，通过ＡＴ指令进行控制。

Ｘｍｏｄｅｍ协议当文件接收方发出ＮＡＫ字节时，代表Ｘｍｏｄｅｍ协议［１３］开始，为了使双方能够进行正常通信，此时，文件发送方会接收到该信号发送出的数据帧。

３．３　异常状态的检测通过分析系统显示的图像，对人进入房间或发生火灾等情况时可进行自动判断。

软件设计的正常情况下各种状态的参数与发生异常情况时的阈值不同时，采取警报现象。

整个检测包括：图像处理［１４］、小目标运动跟踪监测、异常情况判断。

４　智能家居远程控制系统的实现当ＣＭＯＳ摄像头接收到人入侵或火灾的图像后，首先对图片进行去噪声的处理，为了得到量化运动图像，然后通过帧间差分法和背景差分法为基础，得出来的数据与阈值进行状态分析与判断，若比对的数据出现异常的情况，此时传送的报警信号，发送ＭＭＳ信息［１５］，同时储存当前的视频以及图像，通过３Ｇ网络传送到手机的终端，用户能够第一时间掌握家中的情况并采取相应的措施。

目标检测算法应用到此系统中，能够对显示的异常图像进行判断，系统有效回避了一些错误的判断，这些误判是由环境光线、小目标微变等因素引起的。

通过测试两组性能指标来检验Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术在智能家居安３６２　第２期 于欣禾，等：基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能家居远程控制系统图６　基于Ｘｍｏｄｅｍ协议上传图片流程全监控系统中的性能：１）当无障碍时，由于距离的增加，系统接收功率、数据丢包率情况的变化；２）当数据传输距离为４０ｍ时，随障碍物增加产生的丢包率越来越高。

实验结果表明，在存在障碍时的４０ｍ距离测试数据，障碍物越多，丢包率就越高。

当传输数据的丢包率低于１％时，智能家居系统能够充分满足正常家居的环境通信需要，非常适合家庭使用。

５　结 论本文设计并实现了一套基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能家居远程控制系统。

分别从各种节点的功能、软硬件设计以及系统的检测与实现等几方面介绍了Ｚｉｇｂｅｅ技术在智能家居中的应用。

图像监控系统以及各传感器报警系统相结合，有效实现了新型智能家居的远程监控。

本文创新点在于应用了３Ｇ网络，用户可以通过ｐｃ机或手机根据发来的ＭＭＳ信息，第一时间掌握家中的安全情况，并可以通过手机或ｐｃ机对家居设备进行相应的设定，从而实现灵活的智能家居远程监控。

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