基于ZigBee无线传感网络的智能家居监控系统的设计研究

罗学成

摘要：伴随着网络通信技术和物联网技术的联合发展，极大地满足了人们对智能家居系统的开发要求。针对现有的智能家居监控系统架构过于简单，且软硬件配置落后，功能单一，没有远程智能终端及维护困难且扩展性差的问题。该文提出了经由ZigBee3.0协议的云模组设计将无线传感器网络引入智能家居监控系统研发中，经过信息处理和决策，能够对家中相关设备进行远程用户、家庭网关之间信息交互，远程用户能够查询、控制、注销操作，从而实现远程统一监控和集中监控协同模式，其实践具有一定现实意义。

关键词：智能家居；ZigBee3.0协议；传感器；监控系统；研究

中图分类号：TP393         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）06-0079-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

无线传感器网络的智能监控系统在现代生活中的应用越来越体现在智能家居中，通常被称为智慧房屋。本文也是围绕基于ZigBee3.0协议的云模组下无线传感网络智能监控系统在家居上的设计应用进行分析，其涉及房屋的基建、信息通信、家电网络等基本上是围绕人们日常居住的房屋为基础，服务使用者的起居进行整合和结构化的人工智能系统，其形成高效、舒适、安全、绿色、低碳的家庭生活模式[1-2]。智能家居不仅具有全面交互信息作用，而且会随着自我学习升级后為人们的居家生活方式和改善家庭环境带来更多的影响。通过诸如充当居家智能保姆，生活助手等角色，可以实现家电自动化操控、光亮度及环境适时调配，居家防盗警报系统控制等，同时能完美实现与智能手机互联互通，便于进行远程控制。

1 智能家居监控系统的功能需求

1.1 提供安全保证、适宜的居住条件与便捷的生活方式

可靠的住宅安全保障包括住宅附近的安全、进出住宅的安全、来访者的管理和防止盗窃、防火和寻求帮助的必要性，以及是否有足够的先进科学手段和人员支撑保障，更深入层面的要求还包括财产安全和人员生命安全。当下宜居的居住条件侧重于房屋内部环境的调配，如室内温度和湿度、光照、供水、音乐、空气、色调和能源消耗的要求，重点是可优化家居条件，包括持续通风、充足的阳光、适当使用空调，进行科学的管理和合理节能控制。舒适的生活方式涉及提高家庭对智能控制的进一步需求（例如：互联网设备管理、家庭办公室和居家自动化管理），以及居家如何使用互联网资源来享受更多与生活密切相关的综合社区服务。所谓的互联网资源集中在宽带互联网上，宽带网络（包括智能家居和外部公共网络）中的嵌入式内容服务已经成为提高智能家居生活便利性的主要基础[3]。

1.2 多层次的数据资料交互功能，改善居家生活形式

一般来说，智能家居监控系统需要处理的数据交互存在的问题包括：对家电的远程操控，即可以随时随地实现对家电的控制，使用户能够对家电不受时间和空间的限制；另外通过物联网技术，在人机交互下实现对灯光的强弱性、光亮度进行远程操控，从而以提供合适宜居的光线需求；另外也可对室内电动门锁、电动窗帘实施远程和自感应遥控，从而保证对生活环境光的完全感知，并可随时调整家庭光源；安全防御警报应通过视频监控、控制和警报随时监控房屋内的安全状况；交互过程中对住宅数据的收集有助于记录温度和湿度，以及在任何地点和任何时间都可管理住宅建筑的环境数据。

2 监控系统的总体架构

本监控系统主要功能有：首先利用互联网远程采集无线传感值，对环境变量进行无线监控；其具体是采用ZigBee3.0协议的云模块结合传感器信息，由以太网传输到监控主机；一方面配置由网管技术检测网络端是否正常运行；另一方面由WEB服务端技术和WEB客户端技术，实现信息检索、信息交换、信息处理等便捷的信息服务功能。管理者使用浏览器就能及时获得居家环境系数和网络系数等知讯，同时也集成监控信息的存储，显示监控系数的变化、历史信息的检索和异常的自动警报等。由于本案智能家居监控系统主要设计是以GPRS为数传模式，并在网管主机空间和部分网络之间布局安全防御、环境和性能监控，针对wirings For GPRS系统实现互联网系统设施和应用互锁效应，其系统框架示意图见图1所示[4]。

从图1可以看出，GPRS数据传输方式是关键的数据通信通道，其是连接监控主机和其余模块的集线器。监控系统中的各设备均与GPRS实现互联互通，监控主机经GPRS和互联网进行连接，以GPRS从监控终端采集数据并进行分析存储、判别环境、系统等，终端设备是否处于工作状态，如果信息数据存在异常，则异常情况自动触发警报推送至使用者手机上。通过WEB能在浏览器上直接登录客户云端，能轻松获得系统主机、数据情况、错误报告、远程控制等操作，从而实现管理人员无须到场，即远程控制及故障查找、系统维护的功能。

本案智能家居监控系统不单单能实现GPRS及互联网基础设施监控，而且还监控系统本身进行自检，以提高监控系统的持续稳定性。对于系统性能监控的需求，复杂的系统任务可以分为两个大的管理功能模块，一个属于系统监控模块，另一个属于管理模块。

3 硬件设计

现有智能家居监控系统体系结构比较简单，软硬件配置滞后。针对这种情况，提出了一种基于ZigBee技术的无线传感网络智能家居监控系统的设计方案，该系统由ZigBee3.0协调器、微传感装置、链路等组成。其系统整体硬件结构如图2所示。其构建了基于ZigBee3.0的智能家居监控系统协议云模块网络，利用各位置部署的传感器，进行微型化、数字化、智能化的环境数据采集，然后将其转换为数字信号，将测量数据传输给协调器进行进一步处理[5]。另外，考虑到需要为设备的远程控制分配引擎，即需要在家用电器旁边设置节点。

3.1 ZigBee3.0协调器的选择

本设计采用的ZigBee3.0协调器为DTK公司研发生产的DRF1605ZigBee自动组网模块，用户能够在对ZigBee3.0协议不清楚的情况下将串口数据传输实现。DTK在模块内内置了所需的ZigBee3.0交互协议，因此所有的处理都可以在基于ZigBee3.0协议的云模块内自动完成，见图3 DRF1605ZigBee底板的结构图[6]。

如图3所示，DRF1605ZIGBEE模块底部具有串行端口，能对各种串行通信协议进行互通，实现高效透明运行数据。因此，在规划基于ZigBee3.0协议的云模块集成节点时，需要实现串行通信和以太网功能，聚合节点的设计才能成功执行。

3.2 传感器选型与设计

基于性能与成本考虑，本次配置OMEGA温湿度传感器，其性能稳定及质量可靠。而红外传感器选用炜盛的RDB226-S，两者配合能达至最优的性价比，具体如下所述[7]。

3.2.1 温湿度传感器

OMEGA温湿度传感器，性能稳定，测温范围广泛，精度高，校准和质量保证。它能够快速识别出当前环境中温湿度的变化量，而且它体型小，耗能低，抗干扰能力良好，相当适宜应用在ZigBee3.0协议云模块节点中，能够很好地起到针对居住环境进行有效监控的作用，另外该硬件在一定程度上能准确运算出模拟量，对环境探测及传输相当高效。

3.2.2 红外传感器

本案的红外传感器RDB226-S属于炜盛公司的型数字热释电传感器系列。该模块下为敏感元件与信号处理芯片集成的传统设计，敏感元件与IC芯片集成在传感器屏蔽罩内，感测元件通过监控空间采集人体在定义范围内移动时产生的红外信号，以差分输入的形式传输到高精度智能数字处理芯片进行处理，并对信号源进行处理，使传感器直接输出数字信号，方便程序执行。而且设计时考虑到合成红包辐射区与高敏区交替转变的特点，其能极大程度地使得灵敏度得到改善，并使得检测的范围得到扩大。

4 软件设计

在本案的架构设置方面采用星形网格拓扑的形式，在系统的网络中包含协调器节点和末端节点两部分。因此ZigBee3.0协议的云模组重点配置了节点协调器和末端节点的设计。在本设计的系统中，采用的ZigBee3.0协议的云模组栈是Z-Stack协议栈，ZigBee3.0协议的云模组节点的软件开发环境采用IAR Embedded Workbench for Arm的最新9.30版本，它也是z-stacks的首选软件开发环境。由于z-stack已经完成了zigbee的开发，包括物理层、mac层、网络和应用层框架，仅对z-stack提供的接口调用，便可应用程序开发，从而缩短前期的开发时间。启动ZigBee3.0协议云模块协调器，初始化网络，再逐步将最终节点添加到网络中。

首先对CC2530芯片、Z堆栈协议栈、串口及相关硬件设备进行初始化，构建ZigBee3.0网络协议的云模块协调器置于循环检测状态，能够响应最终节点加入网络，同时最终节点设备也开始运行扫描标记。当终端节点分析协调器发出的信标时，节点可以接收数据信息初始化网络并发送与协调器关联的请求指令，协调器接收终端节点请求指令，立即响应确认信息，并为终端节点分配16位短地址建立链路，这样协调器就可以连接到最终节点并实现通信。而终端节点通电后，会进行主动分析通信范围，找到建立网络的协调协议。如果终端节点在分析周期内接收到该标记，并且使发出该标记的协调器具有足够的地址资源，则终端节点可以加入网络。

在整个过程中，协调器向最终节点发出两个确认帧，即请求网络访问指令确认帧的最终节点和相关联的响应请求帧。终端节点接收到关联的应答请求帧后，对报文进行应答，确认并接收到协调器应答的短地址和扩展地址信息，等待网络进入网络的终端节点也将接收到对网络接入请求的应答，如果协调器可以通过该应答器正式建立连接网络，则可以实现通信。实现流程见图4所示。

5 结语

随着物联网技术的不断创新，将ZigBee技术应用于无线传感网络的智能家居监控系统将越来越普及。针对该设计总体而言，采用了ZigBee3.0协议云模块搭载无线传感器网络技术，构建一个家庭智能监控系统，该系统由远程访问设备、网关控制器和無线传感器网络模块三部分组成。其中，远程访问设备主要是由微机、可移动通信设备组成；而网关控制器则依赖路由器、无线网互馈构建，其以无线传感器网络模块作为核心单元是ZigBee3.0协议的云模块协调器、电器控制节点、无线传感器检测部分等组成。纵观整个系统其基本上可以实现对室内各节点环境数据信息的实时准确测量和显示，使用者能够及时了解室内环境情况，从而快速有效地控制家用电器运转。经使用调试后发现整个系统过作具有低成本、低功耗、线路简单，易实现，可扩展性强等特点，具有很广阔的应用空间和现实意义。

参考文献：

[1] 王维，康世英，张忠.基于ARM的智能家居监控系统的设计与实现[J].价值工程，2020，39（5）：258-259.

[2] 张梅梅.基于无线传感器网络的家庭智能监控系统设计[D].武汉：湖北工业大学，2017.

[3] 檀三强，程鲲鹏，赵长金，等.基于远程双终端的智能家居监控系统设计[J].机电工程技术，2019，48（1）：32-35.

[4] 王宗，陈德为，蓝承燕，等.基于树莓派智能家居远程监控系统的设计与研究[J].电视技术，2020，44（7）：76-80.

[5] 蔡云飞，石庭敏，唐振民.基于双多线激光雷达的非结构化环境负障碍感知技术[J].自动化学报，2018，44（3）：569-576.

[6] 虞文鹏，罗招贤，余顺琴.基于ZigBee无线网络的电源监控系统设计[J].电源技术，2018，42（2）：285-287.

[7] 邓健，王立华.基于MicroPython和CC3200的智能家居数据采集与控制系统设计[J].电子器件，2020，43（1）：137-141.

【通联编辑：梁书】