基于物联网的智能家居控制系统设计与实现
2018-05-15荀艳丽焦库张秦菲
荀艳丽 焦库 张秦菲
摘 要： 采用GPRS和ZigBee技术实现物联网智能家居系统。该系统通过高性能处理和PAN Coordinator网络协调器，家电传感器构建ZigBee智能家居控制系统，并通过GPRS无线收发系统实现与远程手机终端通信。给出系统设计架构及软硬件实现方法，包括网络拓扑，关键处理流程等。通过实际测试验证该系统能够满足智能家居的远程监控需求，使整个系统真正脱离用户操作实现智能控制，降低信令交互。
关键词： 物联网; 智能家居; 控制系统设计; 家电传感器; GPRS; ZigBee
中图分类号： TN915.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）10?0074?03
Abstract： A smart home system based on Internet of Things （IoT） was implemented by using the GPRS and ZigBee technologies. The ZigBee?based smart home control system is established by means of high?performance processing， PAN Coordinator network coordinator， and home appliance sensor. The communication between the system and remote mobile phone terminal is realized by using the GPRS wireless transceiver system. The design architecture， hardware and software realization methods of the system are presented， including network topology and key processing procedure. The actual test verified that the system can meet the remote monitoring demand of smart home， make the whole system truly independent of user operation， achieve smart control， and reduce signaling interaction.
Keywords： IoT; smart home; control system design; home appliance sensor; GPRS; ZigBee
由于智能家居有极大的优点，因此随着通信产业的发展，智能家居控制系统也得到了很好的发展。其中利用电话对智能家居进行远程控制的技术也日益用于生活中，人们可以通过手机发送指令，就能对家中的电器进行操作与监控。
1 智能家居物联网控制系统总体架构
1.1 ZigBee与GPRS网络技术特点
ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、短时延的大容量无线网络技术。ZigBee采用的物理MAC层协议是IEEE 802.15.4，工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz三种工业科学医疗（ISM）频段。其中，2.4 GHz频段全球免费试用。ZigBee网络组网方式丰富灵活，具有很强的动态自组织特性[1]。
GPRS网络是2.5G移动通信系统，使用分组交换技术，其数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）采用CMNET接入，避免了申请固定IP带来的繁琐，只需要插入SIM卡就能方便地连接到Internet[2]。
1.2 系统架构设计
本模型采用ZigBee星形网络结构，由于各节点距离较近，无需通过路由器扩展网络覆盖面，只需要协调器和各传感器设备即可满足网络搭建。协调器负责发起和维护网络，并转发收集信息给高性能处理器（本模型用PC机替代）。高性能处理器根据智能处理算法对收集信息进行融合决策，并根据决策结果来向远程手机终端发送请求信息，或向传感器发送应对执行命令。
网络拓扑图如图1所示。
网络中各组件详细描述如下：
1） 信息采集。通过传感器将家电信息传递给ZigBee SoC 模块。本模型采用最常见的CC2430芯片，该芯片集成了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。CC2430芯片最后将信息发送给PAN Coordinator网络协调器。
2） PAN Coordinator网络协调器负责组网和管理各智能家居传感器。
PAN Coordinator协调器主要完成以下任务：分配网络ID;发送、传递和结束信息。
3） 高性能处理器（PC机处理器）。高性能处理器是本设计方案的核心组件，负责整个系统的智能处理，是该模型的核心“大脑”。高性能处理器主要实现以下功能：采集信息的智能分析与处理;信息数据存储与融合。
4） 无线收发系统。本设计通过无线收发系统完成与用户手机终端间的通信，实现命令的传递及智能家居系统信息的应答反馈，采用GPRS芯片SIM900模块实现无线收发。本设计借用短信收发功能，通过短信命令实现智能家居系统家电信息识别。
1.3 智能控制機制
智能控制核心是智能家居系统能够实现更多的智能管理处理能力，减少用户远程操作交互。高性能处理器通过实现智能控制处理算法，实现智能家居系统的内部智能控制处理，从而能够帮助用户处理绝大多数任务和操作交互等。智能控制策略如下：异常处理第一要务是确保安全;操作记录和异常告警可跟踪;智能终端状态实时监控。
1.3.1 异常处理
当高性能处理器接收到传感器信息包含告警信息时，启动异常保护操作。异常保护操作具体动作需要根据异常告警中反馈的传感器网络ID和告警编号进行相应处理。
1.3.2 操作记录及异常告警查询
操作记录及异常告警可通过发送查询命令获取相关信息，相关信息都会在高性能处理器数据库中存储。
1） 手机端向智能管理系统发送查询命令;
2） 智能管理系统收到判断手机IMSI或MSISDN是否为配置信息，并判断其操作权限;
3） 手机端信息判断无误后根据查询命令判断命令类型及相关参数进行相应操作，并继续步骤5）操作;
4） 若手机端信息非配置信息或无查询权限，智能管理系统拒绝该操作，并向手机端反馈无权限操作信息;
5） 智能管理系统查询记录信息，并做好操作日志记录;
6） 智能管理系统根据查询返回状态向手机端发送查询结果。
1.3.3 智能终端状态监控
本系统可实现用户对智能终端状态实时监控功能，用户通过发送查询命令查看整个智能家居网络内各家电终端的状态情况，实现实时监控。也可以通过定期向用户发送状态信息更新消息，实现状态信息的实时更新监控。因本系统聚焦逻辑能力实现，用户体验和更多优化方案暂未考虑，暂采取查询询问方式获取监控信息。
2 系统硬件设计
本系统由外网和内网两部分组成。外网由无线收发系统（GPRS数传模块）和高性能处理器组成，两者之间可通过RS 232串口通信，无线收发系统（GPRS数传模块）采用SIM900模块。该模块通过AT指令控制，控制方法简单，方便系统集成和软件开发。
内网由高性能处理器（PC机）和PAN Coordinator网络协调器、信息采集（智能家居传感器）三部分组成。信息采集传感器通过ZigBee无线模块与PAN Coordinator网络协调器进行通信。本模型选用TI公司生产的CC2430芯片设计ZigBee网络节点，本模块中各智能家居传感器通过CC2430芯片发送和接收信息实现与PAN Coordinator网络协调器通信。
3 系统软件设计
在家电模拟控制中，要想通过串口与PC机连接的协调器向指定的设备发送控制指令，首先需要制定一套控制协议，以便协调器解析，所有的控制指令都是一串具有特性格式的字符串。控制指令如表1所示。
指令说明：
1） 设备编号（NUM）：表示指令的控制对象或指令要求的设备响应编号。
2） 指令类型（TYPE）：表示指令类型，包括SEARCH（查询），CMD（命令）等。
3） 指令（ORDER）：表示指令的具体含义。例如：查询指令下的MONITOR（监控），LOG（日志）等。
4） 说明（EXP）：对指令说明，在具体执行时没有实际含义，用于编码和测试，注释性内容。
5） 附加信息（OTH）：保留字段，待用。
3.1 实时监控
实现对各家电终端状态的实时监控，通过远程手机终端向智能系统高性能处理器发送状态查询命令。
1） 远程手机终端发送实时监控命令，命令格式为：
1：SERCH：MONITOR： ： 。
2） 高性能处理器接收请求命令，对命令进行解析，并根据解析后的命令类型和内容及设备编号等信息查询对应设备实时状态信息。
3） 高性能处理器将查询到的设备状态信息反馈给远程手机终端。程序代码如下：
void ZGManager_GetStatus（uint8 pan_id， String *status）
{
//Save PAN id
if（0 > pan_id）
return;
ZGPANid = pan_id;
status = ZGManager_GetDao（ZGPANid）;
//Get ID status from Database（table name is TBL_TERIDSTATUS）
return;
}
同时，家电终端也会在设备状态发生变更时实时向高性能处理器发送状态变更信息，通知高性能处理器及时刷新设备状态信息。
3.2 异常告警
当家电设备出现异常场景时（如洗衣机缺水等），家电设备传感器会及时向高性能处理器发送告警信息。高性能处理器根据预置的智能处理方案进行处理，同时向远程手机终端发送异常告警信息。当高性能处理器完成相应智能处理方案处理后，根据处理结果知会远程手机终端，让用户了解当前进展。程序代码如下：
void ZGManager_AbnormalWarning（uint8 pan_id， uint8 type）
{
//Check Abnormal type
uint8 level = ZGManager_CheckWarningType（pan_id， type）;
//if level low 0， do nothing
if（0 > level）
return;
//update the status and recovery normal auto.
ZGManager_UpdateStatus（pan_id， "Warning"）;
ZGManager_Recovery（pan_id， type）;
//Send warning MSG to user when level over 3
if（3 < level）
ZGManager_SendMsg2Usr（pan_id，type，"Warning"）;
return;
}
4 系统软件实现
本文系统主要包括终端管理、日志管理和配置管理三部分功能。智能管理系统通过操作界面实现家电终端状态的实时监控，以及家电终端控制、异常恢复和历史回放等功能。同时为了便于操作跟踪等目的，添加了日志管理功能，实现操作日志的查询和设置。为了实现终端的添加和删除，连接配置以及系统登录账户管理等功能，系统也设计了相应的配置管理功能，方便相关参数配置。智能家居控制管理系统主界面如图2所示。
该系统家电终端通过模拟接入洗衣机、电冰箱和智能电视三个终端传感器进行验证。在实际测试过程中系统运行稳定，能够准确检测传感器数据，实现家电智能开关控制与状态反馈。通过异常场景模拟，能够有效地实现智能异常处理。同时，关联手机端也能及时收到异常告警和状态变更消息，大大降低了人工干预力度，实现智能控制。
5 结 语
本文通过对ZigBee网络分析，以GPRS无线收发模块、高性能处理器、PAN Coordinator网络协调器和CC2430芯片及传感器设计开发智能家居控制系统，阐述了硬件框架设计及系统实现流程。本系统旨在打通逻辑实现，更多优化控制需要进一步实现。
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