基于Web版微信与ZigBee网络的智能家居设计

2018-01-25周鼎曹以龙

物联网技术 2018年1期

周鼎曹以龙

摘要：针对现有的智能家居操作系统复杂、移植性差、后期维护成本高等缺点，文中提出了一种基于AM3358内核的BeagleBone Black、Web版微信、ZigBee无线组网技术的智能家居监控系统。该系统由作为中央处理器的BBB、Web版微信登录、ZigBee无线传感网络以及各种可携带传感器的终端组成。本系统完成了智能家居的硬件和软件设计，内网由CC2530和各类传感器组建，外网采用Web微信登录机制与内网通信，完成通过协调器对各个终端数据的采集，并能通过Web版微信控制内网节点的状态。实验结果表明，该系统能稳定运行，登录Web版微信便可实现对家居电器设备的控制。

关键词：监控系统；ZigBee；智能家居；Web版微信

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-0-03

0 引言

智能家居以住宅为平台，利用先进的网络通信技术将各种设备有机地结合在一起，实现家居自动一体化，为用户提供高效便捷的家居环境。本设计以BBB作为上位机，外网采用微信个人登录的方式对家居进行控制，内网采用TI公司的CC2530芯片作为无线收发器。终端传感器多次对用户信息进行采集，通过BQ神经网络算法模拟出一种自适应用户习性拟合数据，反馈至BeagleBlack Bone存储，可以通过发送指令控制家居调整至用户需要的设置，从而达到使家居满足用户需求的效果。

1 系统结构设计

1.1 内网组建方式

一般来说，智能家居系统分为内网与外网，内网是用于家庭内部设备与网关通信的网络。本文设计指的是各类传感器与协调器及协调器与BBB之间的通信，无线智能家居内网组建采用ZigBee无线通信方式，不仅功耗低，其成本相对于蓝牙等其他无线技术更低。

1.2 外网的组建

外网是指BBB与以太网的通信，微信登录发送指令与BBB组成的网络。现有的用于远程监控的平台大部分采用微信公众号或者商家自带的App。Web版微信登录方式不仅移植性强，而且相比于公众号更方便、安全、快捷；相比于App控制，后期维护成本更低，且操作简单。

1.3 总体结构设计

系统的总体设计由以下部分构成：Web版微信作为外网登录获取并控制内网信息、BBB开发板作为中央处理器（相当于PC机）、数据中转站的ZigBee协调器以及连接着多个传感器的终端设备。整体系统结构如图1所示。

2 智能家居系统硬件设计

2.1 BeagleBone Black处理器

系统的中央处理器是BeagleBone Black，通常称为BBB，这是一块面向Maker设计的嵌入式Linux开发板，内部采用ARM Cortex-A系列核心的TI处理器。在本系统中，该处理器的作用类似“大脑”，负责数据处理、存储数据、指令转发等一系列工作。

2.2 ZigBee协调器与终端设备设计

ZigBee 模块是组建家庭内网的基本单元。通過ZigBee协调器无线接收的各个终端数据通过串口转发给BBB，ZigBee终端设备则用于直接接收各类传感器的信息并发送给协调器。通过ZigBee模块把家庭内网与互联网连接起来，实现数据的转发。ZigBee模块芯片采用CC2530，通过ZigBee协议栈，为ZigBee通信提供一个完美的解决方案。终端与各类传感器的连接如图2所示。

2.3 电源模块设计

本文设计一共需要两种不同幅值的电压输入，分别是直流5 V和直流3.3 V。其中，5 V电压是由手机电源适配器提供，3.3 V由5 V变换得到。系统中需要采用3.3 V电压给ZigBee芯片、温湿度传感器、光敏传感器模块供电，没有较大的电流需求，只要求电源电压的纹波较低，故本系统采用线性稳压电源模块，通过5 V电源降压得到3.3 V电源。LM1117是一款低压差的线性稳压器，它可以实现5 V到3.3 V电源的转换。3.3V直流电源设计原理如图3所示。

3 智能家居系统软件设计

本文设计采用BBB开发板，以Z-Stack作为网络通信协议，微信作为外网与内网的通信方式。

3.1 ZigBee组网

系统使用IAR systems公司的集成开发环境IAR Embedded Workbench，IAR Embedded Workbench 是一个用于编译和调试嵌入式应用程序的集成开发环境，支持 C/C++语言。系统使用TI公司的ZigBee协议栈， ZigBee协议栈运行在一个称为OSAL（Operation system Abstraction Layer）的操作系统上，OSAL基于任务调度机制，其工作原理为：将每个事件都设置一个事件号，根据事件号的优先级，轮换查询事件是否被触发，当事件被触发，调用相应的任务处理程序。在ZigBee网络中有三种设备类型，即Coordinator（协调器），Router（路由），End-Device（终端）。ZigBee网络由一个协调器、多个路由和多个终端组成，将相应的程序烧录到不同的设备上，上电后自动组网。

3.2 协调器节点软件设计

协调器和终端设备在组网时会自动分配给各个节点一个16位的MAC地址，协调器发送命令数据采用点播的方式在外网Web版微信登录后，发送一个指令，BBB接收后通过串口的方式发送给协调器，之后再转发给相应的终端设备。协调器的工作原理流程如图4所示。

3.3 终端节点软件设计

终端节点用于收集各类传感器的数据，当协调器下达命令时，通过终端节点将指令转发至相应的传感器，从而达到控制家庭设备的目的。终端节点使用一块电池供电，其工作流程如图5所示。

3.4 Web版微信登录原理

由于本文外网设计是通过 Web版微信登录控制内网的设备，所以Web版微信登录机制也是软件设计的重要部分。当用户请求登录Web版微信时，微信服务器返回一个会话ID，生成一个随机的二维码，通过扫描二维码来标识当前的登录，微信服务器轮回查询用户手机端是否已经扫描二维码并确认在Web端登录。微信服务器访问登录地址并获取uin、sid、pass_ticket、skey，在后续通信的过程中都会使用到这几个值。登录完成后，服务器通过返回给用户的会话ID对用户进行微信好友以及公众号的信息同步，不断查询是否有消息接收。当接受到一个消息之后，在数据库里查询是否有相关的指令回复，并向发消息的用户回复相应节点的信息。Web版微信登录具体流程如图6所示。

4 智能家居系统远程监控功能测试

外网登录Web版微信后，就可以与内网通信。

图7所示为当发送一个字符时，系统做出回应，默认“.”为起始指令，用户发送”.”，查看是否登录成功。

“.all initial”指令用来初始化内网信息，命令协调器更新网络中节点的数量，如图8所示。

“.all status”命令用以查询各个节点的状态，返回各个终端节点包含的传感器的信息，如图9所示。

图10所示为终端节点重命名功能图，用于对终端节点的重命名，重命名成功后返回成功信息。

通过微信端发送的指令，可以人为地改变设备的状态，待后台回复消息后，更新设备状态，同时也可以查询各终端节点的信息，如图11所示。

输入相应的节点名字与设备名称，返回该传感器测量到的数值，如图12所示。

5 结语

本文主要对现存的智能家居系统进行了细节展示，搭建了一个微型的智能家居平台，并且运用外网与内网的连接达成了用户对家居的总体控制。通过实验结果可知，所设计系统稳定，各传感器工作正常，并且能顺利实现用户命令的效果。同时，使用Web版微信登录方式，不仅移植性强，相比于公眾号也更方便、安全、快捷，具有较好的实用价值。

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