基于ZigBee 和云平台的家庭智能供电系统＊

侯鳗玲，唐 鹏，姚慕之，马恒坚，肖启晗，邓佑雄，李 玮

（1.四川大学 电子信息学院，四川 成都610065；2.深圳康佳信息网络有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

早在2012 年年初，智能家居便已被中国列入“十二五规划”的九大产业，同时智能家居也被工信部、发改委和科技部列为未来中国高新技术发展领域的重点方向之一[1]。在国家的利好政策驱动下，作为物联网领域下的朝阳产业，智能家居行业的发展前景日益广阔。

然而，目前智能家居市场不够成熟，智能家电大多仅限于新出厂的家电，尚未考虑对传统的家用电器的智能化改造[2]。目前，国内智能家居的发展速度尚未赶上国外，并且由于智能家居这一概念覆盖面广，受限于现阶段终端连接数量、网络通信速度与质量、大多厂家产品不兼容且不能整合传统电器等方面的因素，消费者对产品并不满意，产品的推广进展仍较慢[3]。由此看来，一套完整成熟的智能家居系统设计是市场下一阶段发展的目标。

针对上述问题，本文设计了一种基于ZigBee 与云平台的家庭智能供电系统。系统集定时、温度、湿度、烟雾、红外、燃气、电话与短信控制模式于一体，分别通过单片机、相应的传感器与原有家用电器相结合，实现传统电器的智能化整合，同时该系统可通过手机短信、APP、Web 应用、本地控制的形式对家电实施远程智能控制。

2 系统总体设计

本系统由核心控制部分、输出控制部分端、远程控制部分组成，该系统的整体框架如图1 所示。

图1 系统整体框图

核心控制部分由主控单片机、GPRS 模块、ZigBee 模块组成。

输出控制部分由分布在用户家中各个位置的传感器和家用电器组成，各传感器负责采集环境信息并上传至核心控制部分，执行由控制部分发出的指令。通过ZigBee 模块实现短距离通信控制继电器输出。

远程控制部分通过人机交互，实现对家用电器的远程操作和运行情况检测。由于云服务器比传统物理服务器灵活性高、安全性强、更加可靠、成本低等多种优势，因此目前基础设施云化已成趋势。调研发现阿里云服务器是国内最大的云平台，尤以高可靠性、高性价比和良好的生态圈著称，因此选用阿里云服务器部署本次项目的Web 服务及移动端的Android APP。网络情况良好时可以通过APP 控制，手机没有网络或者家里突然断网的情况下通过电话、短信来控制。

3 系统硬件设计

3.1 核心控制部分

3.1.1 ARM 微处理器系统控制部分

选用ARM 微处理器STM32f103ZET6 作为系统核心控制部分，具有接收传感器采集的数据信息、控制系统时间、处理输入的指令、控制显示信息并控制输出电平高低等功能。微处理器通过控制时钟电路、传感器输出电路、继电器输出电路和操作控制电路，进一步实现多信号、多模式的控制系统，实现以电话、短信、手机APP 等方式对家用电器的自动实时控制。

3.1.2 GPRS 模块

采用STM32F103ZET6 通过串口与GPRS 模块通信，从而控制GPRS 模块，实现各种无线通信功能。例如发送短信、拨打电话、拨号上网等。采用GPRS 网络，不仅能将系统接入Internet，方便用户进行远程监控，而且具有连续在线、传输距离远、传输速度快、资费合理等优点[4]。

3.2 输出控制部分

3.2.1 ZigBee 自组网协议

ZigBee 具有安全、稳定、功耗低、扩展性强等优点，ZigBee 通信技术被广泛应用于小型局域网通信中。但是，ZigBee 在应用中也有缺点，即频带的物理限制和电波绕射，尤其是当穿过墙或门时信号衰减[5]。

本系统选用可实现无线多跳传输的CC2530 自组网模块，使用Uart 接口作为数据交互接口，接口的参数如下：数据位8 位，包括1 位起始位、1 位停止位、无校验位。将Uart 接口的波特率设置为115 200 Bd，每一段数据包中包含包头、包尾、源端口号、目的端口号、数据。在单片机的程序控制下，每个模块都能实现自组网并转发数据，从而减轻家中墙和门等障碍物干扰，提升数据有效性。系统整体网络拓扑如图2 所示。

图2 系统整体网络拓扑图

为顺应如今终端智能设备增多的趋势，提升通信稳定性，家中内部ZigBee 网络结构采用网状设计[6]，分布在家中各个位置的传感器采集数据并封装成特定的数据帧，通过ZigBee 模块传输至核心控制部分（可视为网关），数据整合后通过GPRS 模块上传至云服务器，开发的手机APP 和Web应用中通过订阅网关的主题，即可获取并解析出某特定位置传感器的数据。同样的，通过APP 与Web 应用向云服务器发出控制指令，在网关处解析即可定向传输至特定的ZigBee模块控制继电器输出，进一步控制家用电器电源的通断。

通过ZigBee 模块组网实现近距离通信，网关能与家里各个位置的传感器及电器进行实时的信息交互。实验证明，该结构的ZigBee 网络灵活性高、数据可靠性高、设备部署方便[7]。

3.2.2 传感器控制部分

系统使用光、温湿度、红外、烟雾四种传感器。光传感器控制台灯，根据环境光线自动调节台灯亮度。温湿度传感器控制加湿器和喷灌电机，可根据环境温湿度自动调节加湿器和喷灌电机的工作模式，自动对植物进行浇水作业。红外、烟雾传感器控制警报器，根据环境判断是否有侵入者，或者判断是否发生火灾或煤气泄漏的情况。如果发生以上情况，红外、烟雾传感器将在终端节点初步进行紧急处理，关闭阀门同时上报异常，尽可能保障安全。传感器部分组件线路如图3 所示。

图3 传感器部分组件线路图

4 系统软件设计

4.1 开发工具

Android Studio 是Google 官方推荐使用的一款基于IntelliJ IDEA 的集成开发工具，IntelliJ IDEA 在业界被公认为最好的Java 开发工具之一，用其开发Android APP。

阿里云物联网平台IoT Studio 开发服务，是阿里云整合在应用开发领域的丰富经验倾力打造的一站式、低成本、高稳定、易定制的物联网生产力工具，旨在帮助用户经济高效地完成物联网应用开发，用其开发Web 应用。

4.2 技术路线

智能家居系统采用C-S 模式，客户端基于Java 开发，服务端基于C 开发。服务端主要对各终端的数据进行整理、缓存、上传，同时响应客户端的各种请求，从而实现家中特定位置节点单片机与客户端的信息交互。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）基于发布和订阅两种模式，构建于TCP/IP协议。与CoAP、HTTP 等协议相比，MQTT 协议具有消息量小、节省带宽、能从断开连接等故障中恢复、专为低功耗设计等多种优点，加之各大科技公司的支持，在物联网应用中已经非常普及[8]。核心控制部分的工作流程如图4 所示。

图4 核心控制部分工作流程图

5 结束语

本文开展了基于GPRS 模块、ZigBee 模块等硬件，分别进行远程通信和近距离通信的研究。以STM32F103 为核心，设计出多信号、多模式的控制系统，实现以短信和手机APP、Web 应用等方式对家用电器的自动实时控制。通过多种传感器与原有家用电器相结合，可实现传统电器的智能化整合，从而作为安全防患和避免能源浪费的工具。此外，该系统成本低、普适性强，可适用于任何220 V 用电器，功能强大，具有多种控制方式，能进行历史数据查询与分析，是未来更完备的智能家居系统的雏形。

可以设想，未来智能家居必然占据主流市场。以此系统为基础，将会实现同一社区的家庭用户可以接入同一上位机服务器，实现集中化管理服务。最终，智能家居将实现城市一体化，打造社区或城市的消防、安保等多功能综合平台。对此系统的相关研究有望促进前沿科学研究、国民经济和国家安全等领域的进一步发展。