一种基于ZigBee的智能家居环境信号采集与控制系统设计

感器集成的装置，如图4所示。CC2530+ESP8266开发板(主节点)、pcDuino开发板(主控设备)、无线路由器一枚(可选)和移动设备(iOS和Android)。

图4中通过单刀双掷开关，整合miniUSB电源和7号干电池供电，当设备掉电时，可以马上接通电池，保障稳定运行;通过GPIO接口将传感器数据采集到第一转接单元(如图5);将数据预处理后，通过第二转接单元(如图6)发送到CC2530芯片(如图7)，通过ZigBee协议将数据发送到主节点。

软件选型：在pcDuino上运行OpenWrt，并安装Nginx、SQLite和PHP作为家用主控服务器，采用Python2.7.1作为主控程序的编程语言，采用开发板自带的IRH7.6版本的IDE即可将程序烧制到开发板的ROM中。关于云端服务器，可以采用阿里云，配置为CentOS6.4版本，运行Nginx、MySQL5.2和PHP5.3即可作为云端服务器。

关于传感器数据收集和云端服务器的内容，相关文献已较多在此不再赘述。关于配置模块，是用户安装时初始化的必要的一步。由于每个住户的居家环境和配置方案都不同，需要在初始安装时指定设备的摆放位置，并匹配相关的传感器和家电设备。为了提升用户体验，需要对初始化进行测试，用户满意方可通过，如图8所示。

家电控制模块分为红外家电和Wi-Fi家电控制两类。其中，红外家电包括空调、电扇、电视等设备，相应的控制代码是串行的，依赖红外转发模块来实现，大多数基于38KHz的NEC红外载波协议，所以可以通过学习遥控器按钮控制代码来实现。关于Wi-Fi家电的控制格式，均为IP地址：端口+控制代码的格式实现，各品牌型号的具体代码各不相同，大部分品牌还带有加密密钥，所以必须在初始化配置时指定好正确的型号和地址(如有必要，最好在路由器上把家电mac地址绑定不变)，即可实现对家电的控制。

安防报警模块需要用户手动开启或解除。主要基于被动人体红外(PIR)传感器，当安防模式开启后，如果家中有人闯入，激活红外信号即开启报警，以短信的形式通知住户和安保物业人员，其中摄像头拍照取证为可选功能。关于环境报警信息，主要是有害气体、火灾或漏电行为的检测，如图9所示，由系统监听传感器和家电状态信息获得。

家电的远程控制与访问查询，需要APP端或PC浏览器来实现。在主控设备的程序中编写监听程序，接收控制指令，如图10所示。

主控设备定期与云端进行同步，为了保障用户的隐私，在云端仅保存最近的数据供APP访问使用，以及安防报警的证据留存。云端数据库的架构及描述如图11所示。

3 总结

本方案采用低功耗的ZigBee协议与WLAN结合，不仅节省了智能家居的装修成本，而且使得居住环境的信息采集和远程查询控制的实现都成为可能。本方案的兼容性更好，可以适用于较多厂商的品牌兼容。本项目为华科大学生创业作品，“感知i家”系列产品已注册商标，并受到华中科技大学大学生科技创新基金的支持。系统的主要功能包括：安防、灾害预警、家电控制和住户行为识别，以及不同品牌设备之间的互联互通。

参考文献：

[1]张亮.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉科技大学, 2009.

[2]苑毅,潘峥嵘.一种Zigbee传感器实现的环境监测系统设计[J].自动化与仪器仪表, 2013(2):53-54.

[3]侯丽玲.基于ZigBee的无线传感器网络远程监控系统的设计与实现[J].长春工程学院学报:自然科学版, 2015(4).

[4]张科.基于ZigBee智能家居控制系统的研究与设计[D].江苏科技大学, 2013.

[5]周瑜.ZigBee传感器网络在家庭可燃气体监测系统中的应用[J].信息通信,2016(1).

[6]马灿.一种Zigbee传感器与手机通信接口的设计与实现[D].大连理工大学,2014.

[7]黄潋之.基于Zigbee传感器网络的室内环境监测系统设计[D].哈尔滨理工大学,2012.

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第52页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。