物联网与智能家居教学系统

朱明武 朱斌庚 刘桂雄 南瑞亭

（华南理工大学机械与汽车工程学院）

1 引言

物联网是指通过射频识别、无线传感器网络等信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。2010年3月5日，温家宝总理在政府工作报告中，明确将“加快物联网的研发应用”纳入战略性新兴产业发展的任务[2]。2010年初教育部下达了高校开设物联网专业申报通知，众多高校争相申报。物联网专业的开设热潮带来了对物联网教学工具的迫切需求，但目前市面上合适的物联网实验系统很少。同时，智能家居作为物联网的重要应用已得到政府和企业的支持[3]。本文结合ZigBee无线通信技术、3G移动通信技术、传感器技术及 C#编程技术，研发一个以智能家居为依托的物联网教学系统。

2 系统结构设计

图1为物联网框架图，它分为感知层、网络层和应用层[4]。其中，感知层是网络与物品直接接触层，负责数据采集、传感器网络组网和协同信息处理；网络层通过互联网、移动通信网等网络把信息无障碍、高可靠性地传送；应用层实现物与人的交互。基于智能家居需求以及物联网结构层次，设计出图2 所示的物联网与智能家居教学系统。感知层采用 ZigBee技术进行传感器网络组网，众多ZigBee节点与传感器、执行器相连，负责上传信息给 ZigBee协调器，同时接收协调器下发的命令控制家居设备。网络层支持互联网和移动通信网，PC用户可通过本地PC主控软件对家居设备进行状态查询和控制；手机用户可通过短信对家居设备进行状态查询和控制，移动通信设备选用3G模块；网络用户可通过网页对家居设备进行状态查询和控制。

图1 物联网框架图

3 系统关键技术

实现此系统的关键主要有感知层的家居设备组网、网络层的移动通信和应用层的用户交互界面，三者分别对应ZigBee无线通信技术、3G移动通信技术、主控软件编程技术。

3.1 感知层的ZigBee无线通信技术

ZigBee是一种低功耗、低传输速率、低成本、低复杂度、短距离的无线通信技术，尤其适合传输数据量小、功耗要求低、网络节点要求多的场所。而智能家居设备密集、传感器通信距离短、数据量不大，符合ZigBee特点。ZigBee建立在IEEE 802.15.4协议基础上，增加网络层和应用层，支持星型、树状、网状等自组织网络类型，网络可容纳多达64000个设备，组网距离可由几十米扩展到上千米。ZigBee节点可分网络协调器、全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)三种，网络协调器实际上是一种 FFD设备，负责启动整个ZigBee网络，FFD比RFD拥有更强大计算能力和更丰富系统资源，可作为网络建立者、管理者或终端设备；RFD常作为终端设备，从FFD接收信息或将信息传递给FFD[5]。

图2 物联网与智能家居教学系统结构图

本系统ZigBee设备选用JENNIC公司JN5139系列模块，使用一个全功能设备JN5139-Z01-M02R1作为 ZigBee网络协调器，用于接收上位机指令及发送网络节点信息给上位机；使用三个简化功能设备JN5139-Z01-M01R1作为网络节点，用于控制家居设备及上传状态信息。整个网络工作于星型网络结构。图3 为ZigBee节点组网流程图。

3.2 网络层的3G移动通信技术

图3 ZigBee组网流程

手机用户与智能家居网络的联系纽带是移动通信网，这里选用3G技术。3G模块选用华为EM560模块，它支持TD-SCDMA(3G)和GSM(2G)两种网络，是目前业界唯一同时支持 A频段(1880MHz～1920MHz)和B频段(2010MHz～2025MHz)的TD模块，它支持mini PCI-Express和UART接口，支持短信、语音、电话本、补充业务等功能，对它驱动由AT命令实现。表1列出了短信收发的几条重要AT命令。

表1 短信收发相关的重要AT命令

根据GSM 07.05的定义，SMS短信有Block、Text和PDU等三种模式。Block模式需模块生产厂家提供驱动；Text模式只支持英文短信息；PDU模式支持中英文短信息，本系统采用PDU模式。

接收短信的PDU串格式与发送短信的PDU串格式不同，需要编写特定的PDU编码程序。例如，向13680337931号码发送一条短信，内容是“节日”，则 PDU串为：0891 683108200005F0 11000D91 6831863073 39F1 0008FF04 828265E5。其中，683108200005F0表示服务中心号码8613800200500，邻位对调，补‘F’凑双数；683186307339F1表示对方号码8613680337931，邻位对调，补‘F’凑双数；828265E5表示短信内容“节日”的Unicode编码。收到13680337931号码发来的一条短信，内容是“节日”，则 PDU 串为：0891 683108100005F0 040D91 683186307339F1 0008 11604201530523 04 828265E5。其中，683108200005F0表示服务中心号码8613800200500；683186307339F1表示对方号码8613680337931；11604201530523表示短信时间2011-06-24 10:35:50 UTC+8时区；828265E5表示短信内容“节日”的Unicode编码。

3.3 主控软件编程技术

主控软件用C#语言在Visual Studio 2008环境下开发，C#是.NET框架重点推出的面向对象开发语言，具备C++语言安全性和VB语言快速开发特点，适合用户界面开发[6]。主控软件与ZigBee协调器通过串口连接，.NET平台提供SerialPort类操作串口。主控软件与3G模块EM560通过USB连接，PC操作系统的注册表会创建一个虚拟串口，对虚拟串口写AT命令即可控制 EM560。使用 SerialPort一般先配置PortName、BaudRate、Parity、DataBits、StopBits，然后用Open()打开串口，用Close()关闭串口，用Read()读串口，用Write()写串口。串口接收采用事件触发方法，只需重载SerialPort.DataReceived事件。

4 系统实现

4.1 系统工作流程

系统工作流程如图4所示。首先，手机用户通过短信把控制命令发送到 3G模块，收到短信后通过USB传给主控中心PC，主控中心解释命令并通过串口发给ZigBee协调器，协调器通过ZigBee无线网络把命令发给指定分控终端 ZigBee节点，节点根据命令控制继电器，从而实现手机用户对家电的控制；其次，ZigBee节点执行命令后，向ZigBee协调器返回状态，协调器把状态传送给主控中心，主控中心通过3G模块以短信方式发送到用户手机上，从而实现家居对手机用户的回答。此外，PC用户还可通过主控中心 PC机的主控软件直接控制家电和查询家电状态。

图4 系统工作流程

4.2 系统主控软件

主控软件主要考虑以下问题：(1)界面美观得体、色彩柔和、内容简洁、布局均匀；(2)控制图与实物相似，形象生动。如开灯则灯的图标和按钮变亮色，关灯则变暗色；(3)界面给出物联网智能家居原理图，导引清晰，易教易学；(4)自动搜索，软件启动后会读取 PC操作系统的串口注册表，自动搜索 ZigBee协调器和3G模块设备，无需手动设置串口参数和人工搜索；(5)联动控制，控制家电的三种方式（短信控制、软件控制、手动控制）可单独控制，也可联合控制，短信控制的命令和状态会在软件的状态栏显示。图5为主控软件界面。

图5 主控软件界面

4.3 系统可开设的实验

根据物联网专业的教学科研需求，在此系统基础上可设计多种实训实验，如传感器信息采集实验、无线信号收发实验、ZigBee网络通讯实验、上位机软件交互控制实验等等。

(1)ZigBee节点组网实验 协调器上电，系统自动播报欢迎语音；节点1上电，1秒钟后与协调器组网成功，节点1的绿灯闪；节点2上电，1秒钟后节点2加入节点1与协调器的网络成功，节点2的绿灯闪，同样依次启动其他节点加入网络。

(2)软件控制电灯电扇实验 点击软件的开灯按钮，被控灯亮，软件的灯图标变亮、按钮文字变成“关”；再按此按钮，被控灯灭，软件的灯图标变暗、按钮文字变成“开”；点击软件的开风扇按钮，被控风扇转，软件的按钮文字变成“关”；再按此按钮，被控风扇停，软件的按钮文字变成“开”。

(3)短信控制电灯(或电扇)实验 手机编辑短信“L1ON”(开灯1)发到3G模块的SIM卡号码，被控灯亮，软件的灯图标变亮、按钮文字变成“关”，同时收到3G模块的短信回复“L1ON：OK”(开灯1成功)；手机编辑短信“L1OFF”(关灯 1)发到 3G 模块的SIM卡号码，被控灯灭，软件的灯图标变暗、按钮文字变成“开”，同时收到 3G模块的短信回复“L1OFF：OK”(关灯1成功)。

5 结束语

物联网和智能家居技术是当前研究热点，本文结合二者为物联网相关专业开发教学工具。本教学系统实现了短信、软件、手动三种方式控制家电。系统具有自动搜索下位机设备、自动组网的特点，系统启动播报欢迎语音，软件界面形象生动，并且可进行多种全面的实验，满足物联网专业的教学和科研需求。

[1]Atzori Luigi,Iera Antonio,Morabito Giacomo. The Internet of Things: A survey [J]. COMPUTER NETWORKS,2010,54(15):2787-2805.

[2]温家宝.政府工作报告[R].北京:第十一届全国人民代表大会第三次会议,2010.

[3]张云勇,房秉毅.基于物联网的智能家居技术标准化现状及发展建议[J].移动通信,2010,(15):25-29.

[4]张晖.物联网技术框架与标准体系[N].中国计算机报,2010-03-15(32).

[5]周怡頲,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9.

[6]葛磊蛟,姚素娟,毛一之,等.基于 C#.NET的 GSM MODEM短信猫应用设计开发[J].现代电子技术,2009,(6):94-96.