智能家居网关综合系统的设计与实现

摘 要：结合当前智慧家居系统功能需求，对智能家居网关技术进行了分析，并在此基础上，构建了嵌入式短距离无线ZigBee通信方式的智能家居网关综合系统架构，基于系统整体架构，对硬件实施过程进行了详细设计。智能家居网关综合系统的设计与实现，对智慧家居的应用及推广具有重要意义。

关键词：智能家居；网关；ZigBee

1 概述

随着计算机技术、网络技术、无线通信技术的不断成熟，物联网开始应用于社会各个领域，并不断改变着人们的生活和生产方式。智能家居系统，是物联网不断普及时代应运而生的典型智慧工程案例，通过应用短距离无线通信方式，将传感器、家用电器、多媒体等设备互联，实现数据的集中管理与控制。智能家居系统采用嵌入式技术，使用网关传感节点和平台管理软件对数据进行采集、传输与管理。在智能家居系统中，智能网关作为统一收集家居环境中各电气设备的信息及运行状态的重要设备，对整个智能家居系统的性能起着关键性作用。通过智能网关，实现家居系统中各个节点互联，用户可以随时随地查看居室环境、控制家庭中的电气设备。因此，采用当前主流传输技术——无线射频收发技术及嵌入式管理平台，设计基于ZigBee技术的智能家居网关综合系统，对开发及优化智慧家居系统具有重要意义。

2 智能家居网关综合系统设计

2.1 智能家居系统功能分析

结合实际应用，智能家居系统主要实现安全监测、信息获取、节点控制等功能，因此涵盖家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系统。

（1）家庭安全子系统：实现厨房安全监测、燃气数据超标监测、厨房报警，当状态超出控制范围，由网关发送警情短信给业主，或拨打电话给物业。（2）智能控制子系统：包含家电控制和灯光控制，家电控制通过红外转发器实现对电视、冰箱、空调等家电设备的控制。灯光控制则通过无线的方式实现对灯光、强电智能开关控制器等设备的控制。（3）宜居生活子系统：包含生活服务提示、居室传感器与家用电器的反馈控制系统。系统从互联网中即时获取当地天气信息，具有推送信息、提醒等功能。居室传感器与家用电器的反馈控制系统实现温湿度节点与空调扇及加湿器等居室温湿度自动调节、光线节点与窗帘/照明灯的光线自动调节、红外转换器代替多个遥控器的红外控制等。（4）系统设置：支持离家、居家、自由三种模式。离家模式启动家庭安全，关闭宜居生活；居家模式启动家庭安全，启动宜居生活的基本级别监控；自由模式可根据用户生活习惯自由设置。在系统设置中可以预设电话，比如业主或物业电话等。因此，结合以上智能家居系统功能，智能网关综合系统作为智能家居系统中的重要构成，主要负责数据的采集、处理及传输。

2.2 综合系统架构设计

在整体系统功能分析的基础上，进行了综合网关系统的架构设计，系统架构包含ZigBee可燃气体传感器节点、ZigBee窗帘控制器节点、ZigBee温湿度节点、ZigBee光线传感器节点、红外转发节点、ZigBee控制插座等。系统架构具体设计如图1所示。

智能家居网关综合系统采用先进的无线通信技术，通过ZigBee短距离无线通信方式实现家庭基础设施与网关的互联互通，省掉了繁琐的布线。传感器/执行器采用2.4G频段，与智能网关之间以ZigBee技术实现无线连接方式，通过Wifi或Ethernet将网关接入局域网，或通过GPRS/3G模块将网关接入移动互联网。

3 硬件系统实现

基于以上对智能家居系统功能、智能家居综合网关系统的设计架构分析，系统硬件的实施主要包含智能网关、可燃气体传感器、无线窗帘控制器、温湿度传感器、无线插座继电器等元件。

3.1 智能网关

智能网关是该系统中的核心构件，通过智能网关， 实现ZigBee网络与wifi网络的无缝对接，完成数据的转换和传输。传感器感知并采集数据后，发送至此网关，网关再将数据转换后传输至wifi网络。系统采用高性能的四核Cortex-A9核心板，该核心板采用三星Exynos4412作为主处理器，运行主频可高达1.5GHz，Exynos4412内部集成了Mali-400 MP高性能图形引擎，支持3D图形流畅运行，并可播放1080P大尺寸高清视频，网关芯片如图2。

ZigBee网关的接收芯片选用CC2530，该款芯片遵循IEEE 802.15.4和ZigBee应用，经济且低功耗，且支持无线更新和大型应用程序，可编程输出功率达到4dbm，在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1uA的电流损耗，具有强大的地址识别和数据包处理引擎。

3.2 可燃气体传感器实现

该系统选用 MQ-5 气体传感器。MQ-5 适用于家庭或工业上的液化气、煤气天、燃气监测装置。良好的抗乙醇和烟雾干扰能力，具有对液化气、天燃气、煤气较好的灵敏度和快速响应及恢复特性。

可燃气体的无线数据包格式如图3所示。

RGA：读可燃气体传感器

地址段：用于存储传感器模块地址

命令：RGA

读取成功返回后的数据格式如图4所示。

地址：加入传感器模块地址

数据：GAzzz（3字节ASCII码数据）

可燃气体传感器测试ASCII数据为“123”表示可燃气体的ADC采样值为0x7B。

3.3 无线窗帘控制器实现

通过ZigBee模块无线控制电机的正转与反转，实现窗帘的开启与闭合。该模块分两路对窗帘进行控制，分别是窗帘1，窗帘2，可以同时实现双层窗帘家居应用的要求。

窗帘控制器的无线通信数据包格式如图5所示。

TDP：窗帘控制器

地址：用于存储传感器模块地址

数据：yy == D1/D2 +0/1/2endprint

D1/D2：表示窗帘1或2

0/1/2：0表示窗帘开 1表示窗帘关，2表示暂停

3.4 温湿度传感器选型

选用SHT1x，包括 SHT10， SHT11和SHT15型号。SHT1x属于 Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板。

温湿度节点无线通信数据包格式如图7所示。

RSH：读高精温湿度传感器

地址段：用于存储传感器模块地址

命令：RSH

WD代表温度传感器，SD代表湿度传感器

图8 返回数据的格式

3.5 无线插座继电器选型

无线插头是最重要的控制元件之一，用于遥控、遥测、通讯、自动控制等。有密封型与半密封型两种封装方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切换电流3A，最大切换电压300VAC60VDC，最大切换功率：750VA90W。

无线插座通信数据包格式如图9所示。

TRE：测试继电器

地址：加入传感器模块地址

数据：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

E1/E2/E3/E4：表示继电器1或2

0/1：1表示闭合 0表示断开

4 软件系统实现

通过以上功能分析及系统设计，实现了以嵌入式为基础，采用Android4.0，通过网关采集家居设施各相关节点数据，以实现宜居生活、智能控制、家庭安全监测等功能的智能家居网关综合系统。系统实施过程中，按节点的功能划分到各模块，软件在显示数据的同时，写入到后台数据库，系统为安防报警传感器设置一定的阀值，在超过值时提示报警信息，并可以通过3G发送到移动终端。具体界面如图11所示。

5 结束语

综上所述，在智能家居控制系统中，智能家居网关是整个系统的中心结点，它在系统应用过程中承载着上传下达的功能，通过对系统功能需求进行具体分析，构建了基于嵌入式的系统整体架构，并在架构基础上，进行了硬件系统的整体设计。系统采用了低功耗的ZigBee技术及当前流行的安卓应用技术开发，具有良好的应用推广价值。

参考文献

[1]桑世庆，戈秀龙.基于物联网的远程健康监护系统的设计与实现[J].中国新技术新产品，2014（10）.

[2]卢晓慧，桑世庆.基于J2EE框架的高校创业信息服务平台的构建[J].科技通报，2011（4）.

[3]卢晓慧.基于物联网技术架构下智能家居系统的研究[J].科技通报，2013（5）.endprint