智能家居系统的设计与实现

赵翠芹，施运应，潘 洁，赵家祺，韦 魏

（1.河池学院 计算机与信息工程学院，广西 宜州 546300；2.呈贡区洛龙街道办事处党政办公室，云南 昆明 650500）

0 引 言

互联网技术的广泛应用改变了人们的生活方式。从最初的信息共享、邮件发送、聊天到如今的购物、日常消费、贸易交易等，“互联网+”的世界体系已经建立。但这些远远不够，除人之外的物体也需要传递、共享信息。物体苦于无生命无嘴巴，想要传递信息，就必须先获取信息，然后通过通信手段进行传输。传感器充当了物体的“神经元”，完成物体信息采集的使命，从而使物体有了“生命”；物体借助蜂窝网络，RFID，WiFi，蓝牙，ZigBee，LoRa，SigFox和NB-IoT等通信技术把获取到的信息传递出去，这些通信技术充当了网络层的“神经中枢”和“大脑”[1]，从而使物体有了“嘴巴”。随着IoT技术的快速发展，入网终端设备已经从手机、电脑跃升到了普通物体。

IoT概念始于1999年，经过10年酝酿，到2009年IoT被正式列为中国五大新兴战略性产业之一[2]。至此，IoT行业可谓“枯木逢春”，进入了“火树银花”式的爆发期。各大企业、高校和科研院所纷纷站队IoT，争取IoT技术的话语权。该趋势可从各种IoT科技的并购浪潮中略窥一二。滴滴、Uber合作发力车联网；日本软银以320亿美元收购英国ARM，高通以470亿美元收购荷兰NXP。并购层出不穷，有了IoT二维码之后，人们过上了扫码登录、扫码付款、扫码上网、扫码进店、扫描上车等“码”上行动的生活。双十一“剁手党”们乐此不疲地买买买，海量交易带来巨大的物流压力，若在包裹上附上IoT标签，则可利用IoT自动识别技术准确无误地快速分拣包裹。如果说WiFi技术打通了网络连接的最后一英寸，那么共享单车则解决了人们出行的最后一公里，无人超市、无人驾驶、智能家居等新概念、新产品层出不穷。从概念到落地生根，再到今天的遍地开花，IoT已经进入到人们生活的方方面面[3]。

智能家居作为IoT在家具行业的实际应用，已经引起了商家的高度关注[4]。本文针对智能家居应用场景设计了一个智能家居系统。该系统采用TI公司设计的SoC芯片作为主控芯片，其内核为8051的CC2530单片机，开发环境为IAR Embedded Workbench，开发语言为C语言。系统组建了具有1个协调器和3个终端节点的WSN。终端节点带有人体传感器、温湿度传感器、光敏传感器和红外反射传感器，分别采集相应环境温度、湿度、光照等数据。终端节点采集数据后，通过ZigBee技术实时传递给协调器；协调器接收多终端数据，并区分信息来自哪个终端，然后通过串口将数据发送给上位机。在PC端使用Visual Studio 2017软件环境、C语言开发了一个用户界面框架IoT平台，该界面简单易操作。实现了通过ZigBee技术来感知环境情况，进而控制家用设备的目的，使人们的生活充满了智慧。

1 总体系统架构

系统由WSN，串口和PC端IoT平台组成，架构如图1所示。协调器下面有2个终端，每个终端连接的外设有温湿度传感器、光敏传感器、红外反射传感器和人体传感器。终端将传感器采集到的数据经过模数转换后发送给协调器；协调器通过串口把接收到的终端数据转发给上位机，最后通过上位机软件将数据展示在用户界面。

2 硬件设计

硬件部分主要包括ZigBee节点的核心板、传感器等。ZigBee节点选用TI公司生产的51结构的CC2530F256RHAR芯片作为CPU。传感器电路原理图如图2所示。

图2 （a）为光敏传感器的电路原理图。U2为光敏感单元，是一个纯电阻元件。U2端与3.3 V直流电压相连接，另一端经过RC低通滤波电路后与CC2530连接。有光源照射时，U2的电阻大概为1～15 kΩ；无光源照射时，U2的电阻值大约为1～2 MΩ，可根据电路元件参数值计算出输入到CC2530的电压。

图2（b）为红外放射传感器的电路原理图。U1为红外反射元件TLP521-1。1，2脚为发射端，3，4脚为接收端。发射端导通发射红外光，在受到人体遮挡时反射，接收端接到红外光信号导通，管脚3输出高电平，导致三极管Q1导通，OUT端输出高电平，LED灯亮。当有人体经过红外反射传感器时，OUT端输出高电平，小灯亮；无人体经过时，OUT端输出低电平，小灯灭。电路中的R1和R2是限流电阻，保护LED灯不被损坏。简言之，红外反射传感器检测到有人，电器自动打开；检测到无人时，电器自动关闭，是一个真正的节能专家，用于点灯、防盗报警等设备。

图2（c）为温湿度传感器DHT11电路连接图。

3 软件设计

软件设计主要包括WSN协议栈应用程序编程和上位机IoT平台开发两部分。

3.1 WSN协议编程

WSN系统在IAR Embedded Workbench软件下开发，借助ZStack-CC2530-2.5.1a协议栈基础编写应用层源码。为了更快更好地进行系统开发，需要理清协议栈的运行机理和应用层源码的实现过程。

3.1.1 协议栈运行机理

ZigBee协议栈中提供了较多集成函数供开发者使用。如果对协议栈的机理和核心函数有一个清晰的认识，那么在项目开发过程中，就可以充分利用协议栈提供的函数实现项目功能。协议栈工作机理如下[3]：

操作系统抽象层（OSAL）的入口为文件ZMain.c中的main函数。在main函数里，系统初始化函数osal_init_system （），启动系统osal_start_system（）函数。osal_init_system（）函数调用任务初始化函数osalInitTasks（），osalInitTasks（）函数负责给每个任务分配一个任务号taskID。osal_start_system（）函数可调用osal_run_system（）函数。追踪osal_run_system函数后，协议栈中有三个核心变量，分别是保存任务总个数的tasksCnt，指向事件表首地址的指针tasksEvent和tasksArr。tasksArr是一个数组，数组里的每项都是一个函数指针，指向事件处理函数。任务事件处理函数添加在tasksArr数组的末尾，应用层初始化函数添加在osalInitTasks函数末尾。tasksArr数组的下标和osalInitTasks函数里的taskID一一对应。osal_run_system函数的功能是不断查看事件表，如果有事件发生，就处理执行相应的任务事件处理函数。

3.1.2 应用层程序流程

WSN中有协调器和终端节点，红外反射传感器接P0_5，温湿度传感器接P0_7，光敏传感器接P0_1，人体传感器接P1_1，从这四个端口获取数据。节点的工作流程如图3所示。整个工作流程主要分为任务初始化函数和任务事件处理函数。

节点上电复位后，在初始化函数中定义具有SimpleDescriptionFormat_t简单描述格式的节点描述符、串口结构体变量，配置串口参数、I/O口的方向寄存器、状态寄存器和输入输出模式寄存器等。协调器上电初始化后组建网络，并以AddrBroadcast广播模式发送网络信息给终端节点。当有终端节点入网，并有外来消息时，采用osal_msg_receive函数接收消息队列中的消息，并对接收到的消息进行强制类型转换，转换为afIncomingMSGPacket_t类型指针，并对消息头进行判断。如果是AF_INCOMING_MSG_CMD无线数据，则调用接收消息处理函数进行处理；如果是网络状态ZDO_STATE_CHANGE发生改变，则开启相应的定时器；如果是串口指令CMD_SERIAL_MSG，则按串口指令做相应操作。在接收消息处理函数中，根据接收消息的clusterId来区分信号来自哪个终端，并用osal_memcpy（）函数把终端号和数据复制到缓冲区，通过串口函数HalUARTWrite（）把数据发送给PC机。终端节点主要负责数据采集，红外反射传感器和人体传感器可直接采用数字方式获取数据，只需读取相应IO口的状态即可得到所需数据。光敏传感器获取数据需要模数转换器将模拟数据转换为数字数据，设置ADC输入通道ADCCFG = 0x02，使用单次转换，参考电压为电源电压3.3 V，对P0_1采样，配置寄存器ADCCON3= 0x81。DHT11以单总线方式与CC2530进行数据传输，需传输的数据有40位，具体实现流程如图4所示。

图3 节点工作流程

3.2 上位机IoT平台

上位机IoT平台采用C语言在Visual Studio 2017软件环境中开发。为了给使用者提供一个方便易操作的界面，窗口界面添加了ComboBox组合框，Label标签，PictureBox控件，GroupBox，Button按钮和TextBox文本框等控件，设置了控件的相应name属性值和Text属性值，编写对应控件的回调函数，就可以把串口中获取到的数据展示在用户界面中。数据从串口中获取，需要添加System.IO.Ports和System.Data名称空间。System.IO.Ports中提供了SerialPort类，该类实现了串口资源操作相关功能。用SerialPort（）构造函数初始化一个实例，接着调用SerialPort方法GetPortNames（）获取当前计算机串口名称数组，并配置与协调器端相同的串口参数。利用串口的ReadChar（）方法读取、解析串口数据，展示在用户界面。

图4 温湿度数据采集流程

4 系统实现

硬件电路如图5所示。该电路由1个协调器和3个终端节点组成。协调器上电后进行组网，并以广播方式向外发送消息。终端节点上电后加入网，并以单播方式把采集到的数据周期性地上报给协调器。PC端打开串口调试助手，设置串口相关参数，如图6所示，点击“打开串口”即可收到数据。串口接收的数据是字符串数组，需要解析，如串口接收到“T1DR01DG061LW20CS21%”，字符数组下标0～2分别代表终端节点号数据头、终端编号和终端节点号数据尾部；数组下标3～6分别代表人体传感器数据头、人体传感器是否检测到有人、红外反射传感器监控的电器状态和数据尾部；数组下标7～11分别代表光敏传感器数据头、光照强度和数据尾；数组下标12～15分别代表温度传感器数据头、温度数据和数据尾；数组下标16～19分别代表湿度传感器数据头、湿度数据和数据尾。经数据解析后，将所获取数据展示在用户界面，如图7所示。

图5 硬件电路连接

图6 串口接收数据

图7 用户界面数据显示

5 结 语

本文在TI公司ZigBee协议栈工程项目的基础上，搭建了一个智能家居IoT系统。通过终端设备采集数据，并定时发送数据给协调器，协调器最终将接收到的数据转发给PC机。PC端采用结合了Java和C++优势的C语言开发了一个IoT数据展示平台，把远程终端采集到的数据展示在用户界面，用户可根据界面显示数据，了解监控场景的温湿度、光照和家电状态等情况。该系统具有操作简单、成本低和功耗低等特点，具有一定的使用价值。

[1]郎为民.大话物联网[M].北京：人民邮电出版社，2011.

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