无线智能家居网络系统设计与应用

闫文娟，王水璋

（1.南京机电职业技术学院，江苏南京，211135;2.南京达智通信技术有限责任公司，江苏南京，210013）

0 引言

ZigBee网络适于一定距离范围内无线网络终端产品的管理和控制，将ZigBee网络技术与GSM/3G通信网络技术结合起来，利用ZigBee无线网络和GSM/3G通信网络，可以灵活地构建起巨大的无线通信网络，实现无线网络远程智能管理监控，使网络具有非常显著的优点，从而实现更大范围、更广应用的无线智能家居系统，给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全的家居生活。

本文设计了一种以ZigBee和GSM/3G网络技术为核心的低功耗高性能的无线智能家居网络系统，并将其用于家居的环境监测、安防系统和家电的控制管理，取得了很好地效果。

1 系统结构

本文设计的无线智能家居网络系统，由无线传感节点、无线控制节点，中心节点、主控节点、应用软件系统组成，将家居的环境监测、安防系统、家电的控制管理、通信网络和应用系统实现互联，统一管理，采用ZigBee无线网络技术，建立网状网络拓扑结构，并结合GSM/3G无线通信技术等现代网络技术实现数据的远程传输和应用管理。

系统总体结构见图1。

图1 无线智能家居网络系统总体结构图

各节点硬件电路及其工作原理如下：

无线传感节点，无线传感节点以MSP430F149单片机为核心，包括主处理模块、传感电路模块、ZigBee网络模块。传感电路模块将采集到的传感数据经过UART数据接口送给处理器，处理器将数据信息打包处理并通过数据接口送给ZigBee无线网络模块发送出去。

无线控制节点，无线控制节点也是以MSP430F149单片机为核心，包括主处理模块、控制电路模块、ZigBee网络模块。ZigBee网络模块将接收到的控制命令信息经过UART数据接口送给处理器，处理器将数据信息解析处理并通过数据接口送给控制电路实现对电器的控制管理。

中心节点，中心节点也是以MSP430F149单片机为核心，包括主处理模块、ZigBee网络模块。中心节点将ZigBee无线网络接收的数据经过UART数据接口送给处理器，处理器将数据信息解析处理再通过ZigBee无线网络发送出去。中心节点就是用于接收和转发其他节点的数据，扩展和延伸无线网络的范围。

主控节点，主控节点也是以MSP430F149单片机为核心，包括主处理模块、ZigBee网络模块、GSM/3G网络模块、存储模块、接口电路、显示电路以及告警提示电路等。主控节点可以同时接收ZigBee网络与GSM/3G通信网络的数据，处理器将接收到的数据信息进行解析、转换和处理，再根据需要选择ZigBee网络或GSM/3G通信网络发送出去。主控节点可以实现网络系统的集中管理功能，完成网络系统的监控管理。

2 硬件设计

本系统采用先进的GSM/3G无线通信技术、ZigBee无线传感网络技术、嵌入式数据采集处理技术、分布式信息处理等技术，可以实时感知、采集和监控网络分布区域内的各种环境信息，对这些信息进行处理，并传送给所需用户进行管理和监控。

系统硬件采用模块化设计，便于根据实际需要灵活组装使用，以保证系统具有非常强的实用性、灵活性、可扩展性和可操作性，使系统具有更广阔的应用领域。

系统硬件框图见图2。

图2 无线智能家居网络系统硬件框图

各电路模块功能如下：

主处理模块：以MSP430F149单片机为核心，包括外围电路、电源管理电路、接口电路以及告警提示电路等，负责数据采集、数据处理、数据传输、控制命令处理、接口数据通信、告警提示以及整个网络系统的协调管理等，是整个系统的核心模块。

传感电路模块：包括传感数据的采集和数据处理电路，可以根据需求采用不同的传感器，如：温湿度、气体、烟雾、震动、红外传感器等。

控制电路模块：包括驱动电路、数字或开关量控制、红外遥控控制等一些控制电路。

显示电路模块：包括液晶显示电路、外围驱动电路等，用于显示需要。

GSM/3G网络模块：以GSM/GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WCDMA模块为核心，包括其他外围电路、SIM卡、天线等，其具有小尺寸和低功耗特点，可以实现语音、数据、SMS和GPRS信息的高速传输。

ZigBee网络模块：以符合ZigBee(IEEE802.15.4)标准的低功耗高性能的无线网络模块为核心，包括其他外围电路、天线等,其支持基于ZigBee网络的星状、混合树状、网状网络等弹性化拓朴设计，能在网状或多次跳接无线网络内支持串行数据路由。

存储模块：用于数据存储，实现数据实时传输或历史查询。

接口电路：可以用于连接其他外围设备，实现产品调试、功能设置和数据通信等。

3 软件设计

3.1 软件概述

本系统软件就是要实现家居的环境监测、家居的安防监管、家电的控制管理、通信网络和应用系统实现互联，统一管理，系统要求具有良好的功用性、稳定性和扩展性，故系统的软件采用模块化结构程序设计方式，主要包括：主系统程序模块、传感器数据采集处理模块、控制管理模块、数据处理模块、无线通信网络模块、各节点的功能配置模块、其他处理模块等。

软件总体结构见图3。

图3 无线智能家居网络系统软件总体框图

3.2 软件设计

根据系统需要，软件设计采用模块化编程，各功能模块以子函数形式，便于根据实际应用进行功能调节设置，易于程序修改和移植。主程序模块主要是将各模块进行协调处理和实现数据交互。

该网络系统软件开发采用IAR Embedded WorkbenchEvaluation for MSP430 V3集成开发环境，主要包括：

1)传感数据的采集和处理，控制命令的处理和反馈，各功能模块之间的数据通信处理等。

2)多种网络数据传输通信，包含无线自组织路由协议，网络自愈、自组织等协议算法及实现。

3)安全可靠性措施，包括复杂应用环境下链路层安全的无线MAC协议，检测和响应策略进行反应式保护手段等。

4)应用层技术，包含网络层次、网络及节点管理系统以及应用层系统软件等。

4 系统实际应用效果

目前本系统在一些家居环境中安装并运行，系统总体性能达到了预期设计目标，尤其是在简化设备安装布线，提高系统移动性和便携性以及远距离监控等方面效果十分显著。传感节点被分布在家居的需要监测的地方，每隔15分钟（可调）采集一次环境的温湿度信息并发送给中心节点，中心节点再将数据转发给主控节点，主控节点通过GSM/3G网络的SMS、GPRS或其他方式和把数据传输到用户电脑或手机，可以实现网络系统的集中管理功能，完成网络系统的监控管理。控制节点安装在需要控制管理的电器附近，无线控制节点接收和执行中心节点发来的管理控制命令对相关设备进行管理控制，达到自动或手动控制管理。

同时，该系统具有安防报警和自动控制功能，当传感监测数据超过设定标准时，系统能用对外发出报警信息，及时通知用户进行处理。本系统具有数据传输距离远，可靠性高，维护简单，成本低，网络结构灵活等特点，有着重要的实际意义和广阔的市场前景。

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