智能家庭系统的智能网关设计

刘江苏

摘 要 智能网关是智能家庭系统的核心部分，本文主要研究ZigBee相关技术，设计功能完善、应用方便的智能网关。系统的智能网关由ZigBee协调器和PC组成，本文介绍其硬件组成和软件功能设计。

【关键词】智能网关 ZigBee 智能家庭

随着物联网技术的发展，智能家庭系统应用前景变得越来越明朗，设计一个技术先进，用户使用方便的智能家庭系统有着很大的实际意义。本智能家庭系统基于ZigBee无线通信技术，用户利用安卓智能终端控制使用。整个系统中最为核心的部件就是智能网关，一个功能完善、应用可靠、使用方便的智能网关对于智能家庭系统至关重要。

1 ZigBee技术简介

ZigBee又称紫蜂协议，是近年来新兴的一种短距离无线通信技术。由于其低功耗、低复杂度和自组织等特点在物联网方面得到了广泛应用。ZigBee协议分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。

相较于蓝牙、Wi-Fi和红外等短距离无线通信技术，ZigBee有着其独特的优势。例如低功耗，其一个节点只需要2节5号电池便可以工作6-24个月；低成本，ZigBee免协议专利费，一个芯片只需要约2美元；高容量，一个节点可以管理254个子节点。正是由于这些特点，ZigBee技术非常适合应用于智能家庭系统中。

2 智能网关在系统中的地位

基于无线互联网的智能家庭系统使得用户可以利用移动终端设备实时监测家庭环境，发出控制指令来操控家居智能设备，而接收及发送监测数据和控制指令的设备就是整个系统的中枢，即智能网关。

智能网络在整个系统中处于核心地位，是智能终端设备和用户控制端的数据交流中枢。

3 智能网关的硬件组成

本智能家居系统采用的是基于Zigbee技术实现传感器的组网和数据传输，因此智能网关的硬件设备由一台PC机和一个zigbee协调器组成。ZigBee协调器主要的任务是实现各个传感器终端通过ZigBee网络组网，并将各传感器采集的数据传输给PC机处理。

ZigBee协调器的硬件核心是cc2530芯片，该芯片是由美国TI公司设计，其具有强大的地址识别和数据包处理引擎。该芯片结合德州仪器的ZigBee协议栈，实现一个相对完整的ZigBee解决方案，是低成本低功耗组网方案的较好选择。cc2530 具有不同的运行模式，其采用的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，功能强大，应用型较强。总体而言，cc2530是一个优秀的SoC解决方案，是智能家庭系统中网关芯片的很好选择。

其次还包括usb接口，主要作用是与PC机相连利用串口将数据传输给PC机的相应服务器软件，进行数据的处理和显示。

PC的硬件选择相对较容易，为了提高智能家庭系统的适应性，硬件方面要求较低，主流的家用PC都能满足要求。

4 智能网关的软件设计

智能网关的软件设计主要包括两个部分，一个部分是ZigBee协调器的功能实现编码，另一个部分就是安装在PC机上用户使用的服务器端软件。

4.1 ZigBee协调器编码

ZigBee协调器的编码实现主要是利用IAR810工具编写代码，其后使用仿真器将相应程序写入到cc2530芯片中，并调试完成。

下面以控制LED灯为例介绍其具体实现过程。

对于LED终端，其工作主要是根据接收的控制指令来打开或者关闭LED灯，同时还需要将当前LED灯的状态反馈协调器，以便在服务器和用户移动端显示。LED终端首先会以向协调器单播的方式加入ZigBee网络。

对于协调器而言，需要先进行串口初始化，然后将其设置为广播方式。随后ZigBee协调器就以广播方式与各终端组网。待组网成功之后，协调器会将终端传输过来的相关数据利用串口送给PC端服务器。如果收到PC服务器通过串口传送过来的各种控制命令，协调器会利用ZigBee无线网络传输给各个终端，实现相应功能。对于LED灯终端控制指令就是打开和关闭两个。

4.2 PC端服务器软件设计

对于PC端服务器，其主要工作是将协调器通过串口传输过来的数据一方面显示在利用visual studio 2012开发的应用控制端，另一方面利用socket通信发送给用户安卓客户端。当然服务器也会向安卓客户端发送来的指令（例如打开或者关闭LED灯）通过串口传输给协调器。

本系统的PC端服务器界面设计如下的一些功能控件。

4.2.1 系统设置

一个下拉菜单用于选择PC连接协调器的串口及打开串口控制按钮。另一方面是启动和关闭服务按钮及用于显示服务器IP地址的文本框。启动服务器之后，在用户的安卓客户端输入服务器的对应IP地址就可以与服务器连接，实现信息的显示和感应器终端功能控制。

4.2.2 功能控制和信息显示

第一个是窗帘控制，设计了用于控制窗帘电机正转和反转的两个按钮，对应于窗帘的打开和关闭。其次是LED灯控制，设计了一个按钮用于LED灯的开关。然后是插座，设计一个按钮用于插座的开关。最后就是信息的显示，主要包括有温度、湿度和烟雾，分别设计了文本框控件用于显示相应数据。

5 总结

智能网关是整个智能家庭系统的核心部分，一个高效、易用的智能网关对整个系统起着至关重要的作用。从硬件方面而言，本系统的智能网关设计采用的是TI公司开发的cc2530芯片协调器，软件设计功能完善，用户使用简单，有较好的应用前景，具备一定的推广价值。

参考文献

[1]郭水林，王瑞.基于ZigBee和Android的智能家居系统设计[J].电信快报，2015（05）.

[2]赵丽.基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计[D].南京邮电大学，2011.

[3]周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005，26（06）.

[4]Android.http：//baike.baidu.com/subview/1241829/9322617.htm.百度百科.