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摘要:ZigBee物联网为智能家居系统设计所依靠的关键技术,对系统设计人性化水平的提高,及人机交互的实现,具有重要的价值。本文首先分析了ZigBee物联网,基于此,从传感器、智能网关及健康平台3方面入手,阐述了系统的设计方案。并以灯光、电机、遥控及健康管理等为例,对系统功能的实现方式进行了探讨。通过对模拟测试结果的观察,证实了系统的应用价值。
关键词:ZigBee;物联网;智慧家居系统
近些年来,随着网络技术发展水平的提高,智能家居系统逐渐产生,为人们生活质量的提高提供了路径。智能家居功能的实现,对网络传输质量的要求较高。ZigBee指基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,是一种短距离、低功耗的无线通信技术。将其应用到智能家居系统的设计中,可有效增强系统功能。因此,对该技术的应用方法加以研究较为必要。
1 ZigBee局域网的优势
ZigBee局域网的优势,主要体现在功耗低、节点支持量大等方面,与其他无线网络对比,具有明显的优势。从网络大小及成本方面分析,GPRS的网络大小为1、WiFi为32、蓝牙为7、ZigBee最高可达65000。四者之中,以ZigBee局域网的成本最低,可靠性最强[1]。可见,与WiFi等技术相比,采用ZigBee局域网设计智能家居更加具有可行性。
2 ZigBee物联网智慧家居系统的设计
基于ZigBee物联网智能家居系统的设计方法如下:
2.1 传感器设计
(1)硬件设计:传感器硬件包括电源、数据采集模块及无线收发模块3部分。其中电源由可移动电源与不可移动电源2部分组成。数据采集模块的功能,需依靠模块传感器而实现,包括人体监测传感器及温度传感器等。无线收发模块的功能,需依靠射频芯片而实现。本课题所应用的芯片,以TI及Jennic为主,TI包括CC2420及CC2430等多种功能,Jennic则可支持JN5152的实现[2]。(2)软件设计:ZigBee软件由数据采集软件、智能网关、网络管理软件等构成,拓扑结构为Star结构及Cluster结构。前者具有结构简单的优势,但数据链路仅包括1条。后者结构则相对复杂。采用两种方式设计,可有效提高网络传输质量。
2.2 智能网关设计
(1)硬件设计:智能网关电源由TI电源管理芯片UCC28710DD所控制,输出电压5V,开关电流2A;网络数据的发出与接收,可借助WiFi而完成;硬件芯片型号为RT5350WiFi,CPU内核为MIPS 24Kc;智能网关具有LED显示功能,使用者可利用WiFi调整LED灯管的工作状态,进而实现对智能家居的自动化控制。(2)软件设计:智能网关可使用的路由系统,包括OpenWrt、DDWrt及Tomato三种,前者具有使用简单、数据传输质量高的优势,因此本课题将OpenWrt选择为了主要的路由系统。OpenWrt編辑工具为Vim、版本系统Git,系统运行的可靠性较强,应用价值较高。
2.3 监控平台设计
监控平台终端通常为智能硬件设备,如智能手机或电脑等,本课题所设计的监控平台,可供两种设备同时在线监测。以Android操作系统的智能手机为例,平台的设计方法如下:(1)开发工具:Ant+JDK或Eclipse+ADT均符合系统的开发需求,但后者使用方法更加简单,因此本课题考虑采用Eclipse+ADT工具进行设计。(2)模块构成:监控平台由Socket通信模块及用户登录模块构成。以后者为例,系统运行期间,用户随时可经终端登录至监控系统,进入监控画面主界面,通过输入用户名+密码的方式,与监控平台相连接。在此基础上,观看监控图像。
3 ZigBee物联网智慧家居系统实现及测试
3.1 ZigBee物联网智慧家居系统实现
ZigBee物联网智慧家居系统可实现对灯光、电机、家电等的控制,同时还具有安全预警及健康管理的功能。上述不同功能的实现方法不同。以灯管控制功能为例:智能家居灯光控制系统,共包括开关控制与灯光接入两大子系统。用户可采用遥控装置,实现对光源亮度、开关以及场景模式的调整。如用户未处于家庭内部,还可通过手机WAP或电话等方式,远程遥控,实现对灯光的控制。采用上述方法设计,能够有效提高光源的控制效率,且可达到节能、环保的效果。除此之外,用户还可经监控平台,实现对家庭内部的监控。当家庭被其他人员非法入侵时,系统可实现自动报警,并经监控平台,将画面显示在智能终端中,以供用户查看。
3.2 系统性能测试
以智能家居系统的安全预警功能为例,对系统性能进行了测试:
3.2.1 测试平台
本课题所设计的测试平台,共由传感器、摄像头及家庭网关3部分构成。传感器中,人体感应模块为重点模块。人体感应模块直流电压4.5V~20V。触发方式包括L与H共两种,L为不可重复触发,H为重复触发,感应角度处于100°以下。当室内温度处于15℃~70℃之间时,传感器均可正常工作。
3.2.2 测试结果
摄像头安装并启动完成后,工作人员通过模拟外来人员非法入侵场景的方式,对智能家居安全预警功能的性能进行了测试。结果显示:当外来人员非法入侵后,系统可在2s内,自动实现预警,并立即通过手机短信的方式,提醒居住者室内有风险发生。居住者可通过Android操作系统的智能手机,调取监控画面,观看室内状况,同时,通过报警的方式,保护家庭的财产安全。
4 结论
综上所述,本文以ZigBee物联网为基础所设计的智能家居系统,具有灯光控制、电机控制、家电控制及安全预警等多种功能,能够有效提高人民生活的智能化水平。有关领域可将传感器、智能网关及监控平台的设计作为重点,利用ZigBee技术,设计智能家居系统,以提高自身生活的便利性,提高家庭财产的安全性。
参考文献:
[1]李天杰,姚程,曹筱欧,魏智博.一种基于物联网技术的智慧家庭能源中心的设计与应用[J].自动化与仪器仪表,2016,(11):241242.
[2]肖忠祥,戎腾学,范鹏召.基于ZigBee和Arduino开源平台智能网关的设计与实现[J].电脑知识与技术,2016,12(07):252254.
关键词:ZigBee;物联网;智慧家居系统
近些年来,随着网络技术发展水平的提高,智能家居系统逐渐产生,为人们生活质量的提高提供了路径。智能家居功能的实现,对网络传输质量的要求较高。ZigBee指基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,是一种短距离、低功耗的无线通信技术。将其应用到智能家居系统的设计中,可有效增强系统功能。因此,对该技术的应用方法加以研究较为必要。
1 ZigBee局域网的优势
ZigBee局域网的优势,主要体现在功耗低、节点支持量大等方面,与其他无线网络对比,具有明显的优势。从网络大小及成本方面分析,GPRS的网络大小为1、WiFi为32、蓝牙为7、ZigBee最高可达65000。四者之中,以ZigBee局域网的成本最低,可靠性最强[1]。可见,与WiFi等技术相比,采用ZigBee局域网设计智能家居更加具有可行性。
2 ZigBee物联网智慧家居系统的设计
基于ZigBee物联网智能家居系统的设计方法如下:
2.1 传感器设计
(1)硬件设计:传感器硬件包括电源、数据采集模块及无线收发模块3部分。其中电源由可移动电源与不可移动电源2部分组成。数据采集模块的功能,需依靠模块传感器而实现,包括人体监测传感器及温度传感器等。无线收发模块的功能,需依靠射频芯片而实现。本课题所应用的芯片,以TI及Jennic为主,TI包括CC2420及CC2430等多种功能,Jennic则可支持JN5152的实现[2]。(2)软件设计:ZigBee软件由数据采集软件、智能网关、网络管理软件等构成,拓扑结构为Star结构及Cluster结构。前者具有结构简单的优势,但数据链路仅包括1条。后者结构则相对复杂。采用两种方式设计,可有效提高网络传输质量。
2.2 智能网关设计
(1)硬件设计:智能网关电源由TI电源管理芯片UCC28710DD所控制,输出电压5V,开关电流2A;网络数据的发出与接收,可借助WiFi而完成;硬件芯片型号为RT5350WiFi,CPU内核为MIPS 24Kc;智能网关具有LED显示功能,使用者可利用WiFi调整LED灯管的工作状态,进而实现对智能家居的自动化控制。(2)软件设计:智能网关可使用的路由系统,包括OpenWrt、DDWrt及Tomato三种,前者具有使用简单、数据传输质量高的优势,因此本课题将OpenWrt选择为了主要的路由系统。OpenWrt編辑工具为Vim、版本系统Git,系统运行的可靠性较强,应用价值较高。
2.3 监控平台设计
监控平台终端通常为智能硬件设备,如智能手机或电脑等,本课题所设计的监控平台,可供两种设备同时在线监测。以Android操作系统的智能手机为例,平台的设计方法如下:(1)开发工具:Ant+JDK或Eclipse+ADT均符合系统的开发需求,但后者使用方法更加简单,因此本课题考虑采用Eclipse+ADT工具进行设计。(2)模块构成:监控平台由Socket通信模块及用户登录模块构成。以后者为例,系统运行期间,用户随时可经终端登录至监控系统,进入监控画面主界面,通过输入用户名+密码的方式,与监控平台相连接。在此基础上,观看监控图像。
3 ZigBee物联网智慧家居系统实现及测试
3.1 ZigBee物联网智慧家居系统实现
ZigBee物联网智慧家居系统可实现对灯光、电机、家电等的控制,同时还具有安全预警及健康管理的功能。上述不同功能的实现方法不同。以灯管控制功能为例:智能家居灯光控制系统,共包括开关控制与灯光接入两大子系统。用户可采用遥控装置,实现对光源亮度、开关以及场景模式的调整。如用户未处于家庭内部,还可通过手机WAP或电话等方式,远程遥控,实现对灯光的控制。采用上述方法设计,能够有效提高光源的控制效率,且可达到节能、环保的效果。除此之外,用户还可经监控平台,实现对家庭内部的监控。当家庭被其他人员非法入侵时,系统可实现自动报警,并经监控平台,将画面显示在智能终端中,以供用户查看。
3.2 系统性能测试
以智能家居系统的安全预警功能为例,对系统性能进行了测试:
3.2.1 测试平台
本课题所设计的测试平台,共由传感器、摄像头及家庭网关3部分构成。传感器中,人体感应模块为重点模块。人体感应模块直流电压4.5V~20V。触发方式包括L与H共两种,L为不可重复触发,H为重复触发,感应角度处于100°以下。当室内温度处于15℃~70℃之间时,传感器均可正常工作。
3.2.2 测试结果
摄像头安装并启动完成后,工作人员通过模拟外来人员非法入侵场景的方式,对智能家居安全预警功能的性能进行了测试。结果显示:当外来人员非法入侵后,系统可在2s内,自动实现预警,并立即通过手机短信的方式,提醒居住者室内有风险发生。居住者可通过Android操作系统的智能手机,调取监控画面,观看室内状况,同时,通过报警的方式,保护家庭的财产安全。
4 结论
综上所述,本文以ZigBee物联网为基础所设计的智能家居系统,具有灯光控制、电机控制、家电控制及安全预警等多种功能,能够有效提高人民生活的智能化水平。有关领域可将传感器、智能网关及监控平台的设计作为重点,利用ZigBee技术,设计智能家居系统,以提高自身生活的便利性,提高家庭财产的安全性。
参考文献:
[1]李天杰,姚程,曹筱欧,魏智博.一种基于物联网技术的智慧家庭能源中心的设计与应用[J].自动化与仪器仪表,2016,(11):241242.
[2]肖忠祥,戎腾学,范鹏召.基于ZigBee和Arduino开源平台智能网关的设计与实现[J].电脑知识与技术,2016,12(07):252254.