GPRS与ZigBee联合控制的智能家居系统设计

杨晓莲，王 凯，王亚刚，许金波

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

GPRS与ZigBee联合控制的智能家居系统设计

杨晓莲，王 凯，王亚刚，许金波

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

介绍了一种基于GPRS的Internet网络通信与ZigBee局域网络技术联合控制的智能家居系统设计方案。通过传感器信号采集及GPRS无线网络短信通信方式，远距离实时检测室内电器工作状态以及室内环境状况。同时结合ZigBee网络节点控制协议技术，对室内电器实现实时可控。真正实现网关稳定性与数据传输的实时可靠性，以满足现实生活中智能家居的较高应用需求。

GPRS；ZigBee局域网络技术；监测性；可控制性

随着电子与多元信息化的发展，常规的家居生活方式已无法满足人们日常生活与工作的需求。因此，住宅智能化就是人们对于住宅能有更多便利与舒适感提出的最新需求[1]。

目前，市场上的智能家居产品都是独立的、个体的实现，同时也局限于小范围内，没有能够实现真正意义上的智能家居系统。当前，国内外无线通讯市场已成熟，且基于GPRS无线通讯方式的移动手机的大范围普及，为人们提供了能够随时上网的可能性。这种数据传输方式，可以为用户提供信道之间的资源共享，且其最高理论传输速率可达165 kbit·s-1。另外ZigBee技术，是目前新兴的一项低功耗、低成本、低复杂度、短延时、容量大的短距离无线网络技术。本文结合GPRS[2]移动通信网络技术与ZigBee局域网络[3]通信技术的优点，组成智能家居控制系统，从而最大程度地满足人们对智能家居系统的需求。

1 重点技术

1.1 GPRS移动网络通信

通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)，是移动电话的一种移动数据业务。它来源于GSM技术，由于技术水平介于移动2G和3G移动通讯技术之间，也因此被称为做“2.5G”。其功能在兼容GSM网络共享网络链接、TDMA帧结构与无线调制标准等技术基础之上，还兼具有资源利用率高、传输速率高(64～128 kbit·s-1)、接入时间短、支持IP协议和X.25 协议[4]、低成本，以通信的数据量为主要依据进行计费等新的功能与技术。

GPRS提供端到端的广域无线IP连接方式，实现分组交换。其数据传输业务可分为点对点与点对多两种。点对点服务即两个或多个用户之间相互发送多分组的业务，业务分为建立连接、数据传输以及连接释放3个阶段。点对多服务则为把单一服务信息传送给多个用户，由PTM业务请求者自行定义用户组成员。其物理信道资源只有在有效数据之间进行通信时才会被占用的资源处理方式，大幅提高了频率资源的利用效率，也能促使通信系统长期处于在线状态，不会独自占用信道。其接口与运行原理如图1所示。

图1 GPRS接口及工作原理图

1.2 ZigBee局域网络

ZigBee技术是具有统一标准的短距离无线通信技术，它是一种无线自组建网络通信技术，物理层和媒体访问介入控制层协议均为IEEE 802.15.4标准[5]，网络层协议由ZigBee技术联盟所制定。应用层具体的开发应用则根据用户的应用需求对其进行相关的特定应用开发，也正因为如此它能够为用户提供灵活多变的网络组件方式。

ZigBee的工作频段分为868 MHz，915 MHz和2.4 GHz，其中2.4 GHz工作频段上又可分为16个信道。在无线通信技术上ZigBee协议避免冲突多载波信道接入(CSMA/CA)方式，有效的避免了无线电载波之间可能发生的冲突，从而保障了应答机制的完整性，保证数据在传输过程中的可靠性。其拓扑型结构有3种，如图2所示。

图2 常用的ZigBee网络拓扑结构

图2所示，ZigBee节点种类主要有协调器、路由器和设备终端3种类型的节点，根据实际需要选择连接即可。各种拓扑结构尤其特定的存在意义与相应的功能。图2(a)星型，所有节点连接到协调器，结构简单、延时小，但覆盖范围有限，很容易受到外部的干扰；图2(b)树型，只有父子节点之间才能进行数据传递，否则需要经过父节点进行转发，不能够很好的对数据在设备之间进行共享。图2(c)Mesh网状型，网络中的路由器可以互相接力转发，覆盖范围大，网络可以实现“多级跳”通信，同时该网络还具备自组织、自愈能力，因此Mesh结构对于整个系统的通信而言能够起到良好的保护作用，避免因为信号不好等因素造成的协调器失连状况的发生，也就是如果邻近的节点由于传输流量过大而造成的拥塞状况，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输，从而有效避免了由于信号拥堵造成的信号丢失情况的发生。当然ZigBee拓扑网络结构越复杂，数据的转发次数越多，而每个节点在通信的过程中需要花费一定的时间，所以相对而言其网络延时就会越长[6]。因此在实际应用过程中需要考虑网络覆盖的大小以及延时大小对于实际需要的影响，从而运用合适的拓扑组网设计出更加合理的ZigBee局域通信系统。

2 系统整体设计

传统的单一式的有线或者无线方式的智能家居系统根本无法完成现在用户对智能家居系统所提出的高要求。由图3可以看出整个系统主要由两个网络部分组成，一个是室外的远端客户端通过GPRS远程的Internet网络通信技术组成，这一部分不是设计的重点，因为这部分由用户移动客户端和移动设备运营商服务器组成，在系统实际工作时只需对GPRS通信信号进行接收然后做一定的识别处理即可。第二部分才是本设计在硬件、软件设计过程中最重要的：室内网关、协调器以及ZigBee局域网络通信部分。

图3 系统整体架构图

第二部分一般情况位于室内或者小区某一集中位置，由网关、控制器、ZigBee协调器及其拓扑网络组成。在家庭等小范围内中电器状态和传感器数据传输至ZigBee协调器，然后经ZigBee协调器传送至控制器和网关端口，然后由网关通过GPRS传输至外部网络，客户端通过手机等终端接收GPRS网络信号了解家中电器和环境实时反馈信息，也可以通过手机或PC机远程控制家中电器，家庭网关对控制信息做出判断和响应，根据数据帧中的事件号和端点信息控制相应的ZigBee终端设备节点做出相应的动作。比较3种ZigBee网络的拓扑结构,虽然星形结构可以有效地避免一定的延时，但是由于其点对点的单一化拓扑结构，信号由于拥挤造成的丢失状况是较易发生。而信号的丢失在很多情况下相比于信号的延时更加容易产生无法挽回的损失。因此，设计采用可信度更高、容错能力更强的Mesh网状结构，保证信号的完整性与可靠性，以达到较优的实现效果。IEEE802.15.4/ZigBee[7]家庭无线网络主要负责监控家中电器以及采集家庭环境信息，并通过家庭网关实现与外部网络的通信。

3 硬件设计

3.1 网关整体设计

网关部分，可以由微控制器、路由器、ZigBee协调器共同组成主要起到内外网络间信号之间连接器的作用，如图4所示，在这里负责将室外GPRS信号[8]接收并进行一定的处理。网关再智能家具中作为数据的汇聚点，负责整个智能家居网络数据的采集、存储与加工处理等等。其对外的连接方式为以太网[9-10]连接或者GPRS连接方式，对内将家电及需要控制和检测的家庭设备通过消息路由及ZigBee通讯方式连成一个通讯整体。网关部分所包含的微处理器及其他组件模块组成的部分处理按键的输入，以及用显示器室内电器的运作情况、并可以针对当前的具体情况对室内的设备进行有关数据的调整，以适应实际需求。通过有针对性的UI设计及串口通信可以实现较为优化的界面显示与触屏控制效果。其他功能模块可以相应的连接到控制器端口以及电源模块实现。

图4 网关组件设计

因此，网关必须包含两大部分：第一部分是数据交换部分，其中有串口通信模块、网络通信模块、人机交换模块(I/O口、按键及显示器)；第二部分为微控制器、存储器等组成的数据运算处理模块。

3.2 ZigBee协调控制器及其节点设计

当前ZigBee网络模块[11]已相对比较成熟，运用Chipcon公司推出的CC2430芯片，实现了ZigBee技术的嵌入，成为ZigBee的片上应用系统[12]。在整个芯片上整合了微控制、内存和射频(RF)前端，能够很好地实现信号的收发功能，主要负责配合外部模块进行网络的创建和管理，通过串口通信的方式与网管相连接，以方便数据的双工通信。

图5 ZigBee节点设计结构图

各个电器或需要控制节点的设计基本可以按照图5所示设计，只是根据控制器件自身的性能或控制方式，进行相应的改动即可。本设计采用Mesh网状结构将所有节点进行连接，方便相互数据的共享以及用以保证数据的可靠性。

4 软件设计

4.1 客户端消息处理

客户端为用户操作端，设备包括手机、平板等设备终端。设计相应的UI软件终端，以实现人机交互与更优良的实时监控、控制效果。其流程如图6所示，为实现更加人性化的效果，可以先将用户信息进行匹配注册，只有信息匹配成功，才默认为家庭主人，可以获取家庭中家电信息，或根据接收的实时信息做出相应的反应控制。登录成功后，为了GPRS消息接收与发送成功，有必要对网络连接状况进行检测，检测正常则可以正常接收GPRS消息与发送GPRS消息。数据处理部分为GPRS的主要任务，包括接收数据处理与发送消息处理。

图6 客户端消息处理流程图

接收消息部分，GPRS通讯过程循环检测通讯接收信号，接收到终端发出的信号之后，将消息存储到数据缓冲区，然后根据事先约定的通信规则获取到是哪个终端节点发送的消息，进而解析出该节点发送的消息含义，根据解析结果对界面的显示作出更新，以示当前对应电器的工作状态[4]。消息解析完毕，清除缓冲区的内容，以便再次接收GPRS消息。

发送消息部分，通过接收到的消息解析之后，界面更新的结果由用户决定是否需要发送响应处理消息。所有消息根据消息队列的方式进行数据处理，可以连续发送GPRS数据消息而减少错误的发生。相应的处理动作也会根据事先约定的指令规则发送GPRS消息，由接收方解析后作出对应的处理。

4.2 网关消息处理

图7 网关消息处理流程图

当网关部分开始工作后，首先进行系统程序的初始化，包括以太网控制驱动、TCP/IP 协议栈，系统网络配置等内容，其流程如图7所示。用于将进行网络通信协议的转换，即将 TCP/IP 网络传送的数据通过串口发送至 ZigBee无线模块的串口，使整个ZigBee网络实现智能家居设备的控制。之后启动应用服务程序，建立监控进程，执行Socket系统调用，建立套接字，绑定端口，监听客户端连接请求，监听网络端口及串口事件，如果从网络传来的是TCP/IP 数据时，将网络数据转换为ZigBee协议数据[13]，打包之后发送给ZigBee模块，并继续监听网络，当收到的是串口 ZigBee 数据时，将 ZigBee 数据转换为网络数据，打包发给 TCP/IP 模块，并继续监听，以此循环，直到系统退出为止[14]。

4.3 终端节点消息处理

图8 终端节点消息处理流程图

终端消息处理包括发送消息部分和消息接收部分。ZigBee协调器[15]在初始化阶段将建立与各终端的通信网络，存储各节点的通信基础信息。控制器循环检测网管是否有接收到消息，将接收到的消息存储到缓冲区，然后，如果有多条消息，则依次按照接收消息先后顺序放进队列中，然后依次进行解析后，通过串口指令依次发送到对应的节点，节点再次解析消息作出对应的处理判断，完成对应的控制效果。

消息发送部分，协调器循环检测依次检测各终端节点的状态达到事先约定的等级阈值情况决定是否发送网关消息。若有需要发送的消息，则将节点采集的信号通过串口发送到协调器，再由控制器发送到网关，通过网关进行数据的加工后发送出去，其流程如图8所示。至此，整个系统的软件设计完成。

5 结束语

系统将ZigBee技术与GPRS通讯方式相结合[4]，设计思想配合良好的UI人机交互界面；能够实现基本的智能家居要求的效果，且能够较好地避免数据发送过程中错误的发生率。但仍有需要改进的地方，目前移动通讯领域已有了3G与4G的通讯方式，如果深入研究并结合可以加速通讯的可靠信与通讯效率，给用户带来更好的控制、监测体验。

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[12] 张小威.ZigBee电路设计及在智能家居中的应用[D].南京:南京邮电大学,2013.

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[15] 吴线龙.ZigBee无线网络原理[M].北京:冶金工业出版社,2011．

GPRS and ZigBee Jointly Control of Smart Home System

YANG Xiaolian,WANG Kai,WANG Yagang,XU Jinbo

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

Introduces a GPRS Internet communication with ZigBee local area network technology based on joint control of the smart home system design and research. Through the sensor signal acquisition and GPRS wireless network messaging communication, remote real-time detection of indoor operating state of the electric appliance and the room environment . In addition, according to the ZigBee network node control protocol technology, to achieve indoor appliances real-time controllable. Therefore, this study for real-time monitoring and real-time control, and truly realize the gateway stability and data transmission of the real time reliability, to meet the realities of life in smart home higher application requirements.

GPRS；ZigBee local area network technology；monitoring；controllability

2016- 07- 22

杨晓莲(1992-)，女，硕士研究生。研究方向：工业无线传感器网络等。王凯(1973-)，男，副教授，硕士生导师。研究方向：工业无线传感器网络，工业过程控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.036

TN926

A

1007-7820(2017)01-131-05