基于ZigBee协议的智能家居环境监测系统设计与实现

沈萍萍，谭 伟，秦云涛，方立刚

(苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104)

基于ZigBee协议的智能家居环境监测系统设计与实现

沈萍萍，谭 伟，秦云涛，方立刚

(苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104)

以智能家居为背景，基于ZigBee技术研究无线网络组建及传感数据获取，实现智能家居控制.通过5个感知节点，感知监测环境数据，获取智能家居光照度、家居设备启动状态、热释红外传感数据等，根据感知数据启动声光报警器等执行设备.通过4个终端节点连接电控锁、RFID读卡器等执行设备，由协调器发布命令.实践证明，智能家居系统实现了环境数据自动监测、安防报警等智能化效果，模拟的智能化家居系统具有一定的代表性.

ZigBee；智能家居；环境监测

智能家居系统中一个非常重要的部分就是智能家居环境监测子系统.本研究设计一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息.在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度、湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等.同时，此系统中传感器所得到的环境参数可以为其他家居设备的运行做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节，比如，当测量到的光照强度高于用户设定的一定值的时候，系统就将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，降低室内的光强度，以适合居住；又如，当温度值偏低时，系统将启动空调设备进行工作，来增高室内温度等.本研究的另一个创新之处就是物联终端和传感采集装置可将整个家庭环境中的动静态数据信息传送至通信网关，再由网关将传感数据转发至互联网的服务器，特别是当出现异常的数据信息时能迅速将数据上传，并进行室内的告警.用户可以通过移动互联终端如手机、计算机的浏览器或客户端软件登录服务器，实时查看各个子系统的信息，控制家居设备的运行.因此，环境监测子系统的设计对智能家居系统而言非常关键.

1 ZigBee技术介绍

智能家居系统采用有线技术方案时，存在系统布线麻烦、安装与维护成本高、系统可扩展性差以及移动性较差一系列的缺点.而ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗、低成本的无线网络通信技术[2].ZigBee技术主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，也可以低成本地嵌入各种设备中组成庞大的网络.

ZigBee按功能分为ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备三种.

1)ZigBee协调器是全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面也最复杂的一种.特点是计算能力强、存储量大.发送网络信标，建立并且管理一个网络及网络节点，存储节点信息，并且不断地接收下级节点所发来的信息.

2)ZigBee路由器也是全功能的设备，在加入网络后，协调器会分配给一定量的16位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数据转发及路由的功能.

3)ZigBee终端设备是一般的简化功能设备，只能自己与上一级设备如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等.

在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择:星型结构、网状结构和簇状结构.

在星状结构中，无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，ZigBee协调器负责运作与维护整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发，只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去.

2 系统搭建环境分析

2.1 系统结构

本系统底层无线通信由多传感器节点、协调器节点和PC组成.传感器节点通过无线技术与协调器进行信息的交换，协调器则通过串口与PC上位机进行通信.

传感器节点主要负责环境信息的采集与发送，协调器节点主要负责网络的建立、终端节点的管理、数据的处理和对PC端的数据通信.在实践过程中，可根据家庭居住环境的大小和所需监测的内容，增加或减少传感器节点.当监测区域较大时，可用增加传感器节点的方法保证网络的连通性；当区域较小时，可以根据情况减少路由器节点的设置，以节省系统资源和降低成本，而结构只需做小许改动即可，这也是本研究的一大改进之处[3].

2.2 系统设计要求

本系统应用在智能家居领域，具有如下几种要求，分别从软硬件两个方面得以实现[4].

1)低功耗.由于是无线传感网络，节点很多，只能由电池供电，故要求低功耗以延长使用，减少电池更换次数.

2)安全性.本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，若出现错误，则可导致PC判断错误，导致错误控制.如果发生一氧化碳泄露即报警等，故要求系统有较高的安全性.

3)外观.由于要安装在家庭各个地点，故要求其尽量小巧、美观.

4)可扩展.能根据用户的不同需求，随时增加或减少节点设置.

5)程序模块化设计.可以使系统升级方便，以便增加节点时只修改其中一个模块而其他地方无需改动.程序设计要简单，数据传输格式要统一.

2.3 系统搭建

以智能家居为应用背景，选取5个传感节点组建Zigbee网络，5个感知节点模块对应信息如表1所示.网络拓扑结构设定成星型网，包含“协调器”、“路由”及“终端”三种网络角色，其中“协调器”具备网络管理及数据转发功能，“路由”具备读取电表信息功能，“终端”具备RFID读卡功能，其余功能实现符合发布的“无线组网通信协议”.

表1 感知节点信息表

3 通信协议分析

3.1 ZigBee无线组网通信协议

1)协调器数据格式.

2)路由或终端数据格式.

3)上位机>协调器数据包格式为16字节(命令包格式).

4)节点>协调器数据包格式为32字节(返回包格式).

注:命令包及返回包中多字节内容，均是低前高后存放.

3.2 ZigBee协议栈设置

利用IAR编译环境软件，根据ZigBee网络角色，下载对应Z-Stack到感知节点，将0号感知节点配置成“协调器”，1～4号感知节点根据表1配置成“路由”和“终端”，并将这6个节点组成无线个域网，网络拓扑结构为星型网.

在ZigBee协议规范中，定义如图1所示的参数设置，其中可以看出三种拓扑结构在ZigBee中的参数[5].

设置的网络拓扑结构如图2所示.STACK_PROFILE_ID默认为ZIGBEEPRO_PROFILE，又由图1可知，本Z-Stack协议中默认拓扑结构为网状结构，若要改为星型网结构，需要修改STACK_PROFILE_ID为NETWORK_SPECIFIC.

图1 ZigBee中的网络拓扑协议规范

图2 设置网络拓扑结构

3.3 协议栈的执行过程

在Z-Stack的软件设计中，主要涉及到感知层、网络层、应用层的代码实现.

协调器负责启动整个网络，也是网络的第一个设备.协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络，如图3所示.SampleApp_MessageMSGCB函数实现了该协调器的网络管理及数据转发的功能.

图3 协调器函数代码实现

路由器主要功能是允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯.

终端设备没有特定的维持网络结构的责任，可以睡眠或者唤醒，通过代码实现其数据的采集功能，分别实现路由器和终端设备的功能，其中通过SampleApp_MessageMSGCB函数实现终端节点的读取和设置信息功能，如图4和图5所示.

图4 将节点定义为路由，实现路由功能

图5 函数实现终端节点的读取和设置信息功能

4 数据获取测试

4.1 SmartRF软件介绍及设置

SmartRF即SmartRF Flash Programmer，是用来对无线单片机CC2430/31的闪存进行编程和对ZigBee Soc芯片进行IEEE Address(物理地址)修改的软件.打开SmartRF软件后，连接好串口线及烧录工具，此时会显示Read IEEE，在Location中选择Primary，在IEEE 0x中定义此传感节点的物理地址.选择文件后点击ReadIEEE读取网络地址，最后点击Perfrom actions烧录.SmartRF及烧录配置如图6所示.

图6 SmartRF及烧录配置

4.2 sscom32测试软件介绍及设置

组网测试采用sscom32软件完成.sscom32主要利用串口测试工具对数据进行分析，根据ZigBee协议规范，对终端节点发送获取或设置的无线通信协议命令，以实现整个网络的通信控制.在本设计中波特率设置为19200，数据位为8，停止位为1，其他设置为none，严格按照数据格式设置，读取网络测试结果如图7所示.

4.3 返回结果分析

图7中读取节点53表示数据采集成功；01 00表示路由器节点网络地址；30 14表示温湿度传感器节点网络地址；31 14表示热释红外传感器节点网络地址；32 14表示RFID传感器节点网络地址；00 00表示协调器节点网络地址.根据以上信息所获取的节点网络地址，可以利用其对每个节点所对应的执行器进行数据采集和执行控制等.本研究是整个智能家居系统中的一个子部分，如图8所示.

图7 读取节点网络信息

图8 上位机开发界面

5 结论

智能家居系统分为感知层、网络层和应用层三个层面，本研究主要研究感知层协议栈的开发，利用ZigBee协议栈技术，终端感知节点获取到执行器相关的数据信息，通过协调器感知节点把数据传送至上位机或嵌入式网关，本研究是整个智能家居系统中的一个子部分，如图8所示.在智能家居系统中，人们可以利用PC机或移动终端查询获取到的感知数据信息(如光照强度、温湿度等)[6]，用户还能通过手机进行远程实时查询家居设备状态信息，并可以通过设置相应的执行设备对家居进行控制监测，如设置特定RFID卡号实现门禁控制、设置噪声强度、光照强度，实现声光报警器控制等，从而实现家居的智能化管理.

[1] 高守玮，吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，2011.

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

[3] 俞文俊，凌志浩. 一种物联网智能家居系统的研究[J]. 自动化仪表，2011，32(8):56-59.

[4] 许强键. 基于无线网络的家庭主动监控系统的研究[D]. 广州:广东工业大学，2014.

[5] 王贤勇，赵传申. 单片机原理与接口技术[M]. 北京:清华大学出版社，2010.

[6] 兰勇，张博. 基于Internet 的物联网系统中设备互联和实时在线技术[J]. 计算机测量与控制，2011，19(6):1449-1451.

(责任编辑:李 华)

A Design and Realization of E-home System Based on ZigBee Protocol

SHEN Ping-ping，TAN Wei，QIN Yun-tao，FANG Li-gang
(School of Computer Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

This article is based on E-home and ZigBee technology and studies the establishment of wireless network and the acquisition of sensor data to realize intelligent home control.This project uses fve sensory nodes monitoring the environment data to get intelligent household light，starting status of household appliances and pyroelectric infrared sensor data.It starts the executive equipments such as sound and light alarm by the sensors，which are connected to the electric control lock，and RFID reader and other executive equipments through four terminal nodes.The coordinator gives command to realize the remote control.Research on this intelligent home system realizes automatic sense of enviroment and security alarm.It is proved that this simulated intelligent household system is a typical one.

ZigBee；E-home；the environmental monitoring

TP79

A

1008-5475(2014)04-0026-05

2014-08-02；

2014-08-30

苏州市职业大学成果创新项目(2011SZDCC08)；苏州市职业大学研究性课程(SZDYKC-120606)；苏州市职业大学创新团队基金资助项目(3100124)

沈萍萍(1979-)，女，江苏苏州人，副教授，硕士，主要从事物联网、计算机网络、高职教育研究.