无线智能家居控制系统设计与实现

无线智能家居控制系统设计与实现

李毅军

(广东日顺电子科技有限公司广东广州511431)

摘要：将电磁波在空间中传播的原理作为基础发展得到来数据传输技术被称之为无线技术。就无线技术而言，该技术可通过特定的信号调制技术，并根据电波在空间中传输特性来实现数据的传输，该技术的优势在于传输速度快，同时适用于移动或不适合安置电缆的情况。而随着时代的发展以及信号处理技术的进步，无线技术的应用范围越来越广，在多个领域中都发挥出了较好的作用，其中，在家居控制系统中进行更是成为了新的发展趋势。

关键词：无线智能家居；控制系统；设计实现

1导言

由于智能家居有极大的优点，因此随着通信产业的发展，智能家居控制系统也得到了很好的发展。其中利用电话对智能家居进行远程控制的技术也日益用于生活中，人们可以通过手机发送指令，就能对家中的电器进行操作与监控。

2无线ZigBee技术

ZigBee主要指无线网络通信技术，该技术一般具有结构简单、功耗低、速率低、复杂度低以及成本低等特点，目的，该技术已经在工业控制、汽车自动化以及医用设备控制等领域得到了较为广泛的应用。具体而言，ZigBee是一种将无线个域网作为基础的进行开发的有关组网安全和应用软件等方面的技术。就该技术特点具体而言，主要可分为七个方面，即：较低的数据传输速率；较低的功耗；较高的可靠性；较低复杂度；较好的网络扩展性；较高的安全性；较灵活的工作频段。

3系统网络设计

结合ZigBee技术具有的短距离、低功耗等特点，并根据智能家居系统设计中所要涉及的房型以及需求进行系统产品的设计。具体而言，系统网络设计是应该从以下两个方面出发，首选，对网络架构进行确定（家庭网络架构如下图一），其次完成主控制器的功能组网以及网络管理功能，与在对ZigBee进行定义的时，将其定义为网络协调器类似。

图一：家庭网络架构

在采用上述家庭网络架构的情况下，其优点的主要可体现在以下三个方面，即：（1）层次较为分分明的网络，网络管理较为方便；（2）对网络数据流量进行了降低；（3）对数据传输的实时性进行了提高。

4智能家居物联网控制系统总体架构

4.1ZigBee与GPRS网络技术特点

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、短时延的大容量无线网络技术。ZigBee采用的物理MAC层协议是IEEE802.15.4，工作在868MHz，915MHz和2.4GHz三种工业科学医疗（ISM）频段。其中，2.4GHz频段全球免费试用。ZigBee网络组网方式丰富灵活，具有很强的动态自组织特性。GPRS网络是2.5G移动通信系统，使用分组交换技术，其数据传输单元（DataTransferUnit，DTU）采用CMNET接入，避免了申请固定IP带来的繁琐，只需要插入SIM卡就能方便地连接到Internet。

4.2系统架构设计

本模型采用ZigBee星形网络结构，由于各节点距离较近，无需通过路由器扩展网络覆盖面，只需要协调器和各传感器设备即可满足网络搭建。协调器负责发起和维护网络，并转发收集信息给高性能处理器（本模型用PC机替代）。高性能处理器根据智能处理算法对收集信息进行融合决策，并根据决策结果来向远程手机终端发送请求信息，或向传感器发送应对执行命令。网络拓扑图如图1所示。

图1网络拓扑图

网络中各组件详细描述如下：

1）信息采集。通过传感器将家电信息传递给Zig⁃BeeSoC模块。本模型采用最常见的CC2430芯片，该芯片集成了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。CC2430芯片最后将信息发送给PANCoordinator网络协调器。2）PANCoordinator网络协调器负责组网和管理各智能家居传感器。PANCoordinator协调器主要完成以下任务：分配网络ID；发送、传递和结束信息。3）高性能处理器（PC机处理器）。高性能处理器是本设计方案的核心组件，负责整个系统的智能处理，是该模型的核心“大脑”。高性能处理器主要实现以下功能：采集信息的智能分析与处理；信息数据存储与融合。4）无线收发系统。本设计通过无线收发系统完成与用户手机终端间的通信，实现命令的传递及智能家居系统信息的应答反馈，采用GPRS芯片SIM900模块实现无线收发。本设计借用短信收发功能，通过短信命令实现智能家居系统家电信息识别。

4.3智能控制机制

智能控制核心是智能家居系统能够实现更多的智能管理处理能力，减少用户远程操作交互。高性能处理器通过实现智能控制处理算法，实现智能家居系统的内部智能控制处理，从而能够帮助用户处理绝大多数任务和操作交互等。智能控制策略如下：异常处理第一要务是确保安全；操作记录和异常告警可跟踪；智能终端状态实时监控。

4.3.1异常处理

当高性能处理器接收到传感器信息包含告警信息时，启动异常保护操作。异常保护操作具体动作需要根据异常告警中反馈的传感器网络ID和告警编号进行相应处理。

4.3.2操作记录及异常告警查询

操作记录及异常告警可通过发送查询命令获取相关信息，相关信息都会在高性能处理器数据库中存储。1）手机端向智能管理系统发送查询命令；2）智能管理系统收到判断手机IMSI或MSISDN是否为配置信息，并判断其操作权限；3）手机端信息判断无误后根据查询命令判断命令类型及相关参数进行相应操作，并继续步骤5）操作；4）若手机端信息非配置信息或无查询权限，智能管理系统拒绝该操作，并向手机端反馈无权限操作信息；5）智能管理系统查询记录信息，并做好操作日志记录；6）智能管理系统根据查询返回状态向手机端发送查询结果。

4.3.3智能终端状态监控

本系统可实现用户对智能终端状态实时监控功能，用户通过发送查询命令查看整个智能家居网络内各家电终端的状态情况，实现实时监控。也可以通过定期向用户发送状态信息更新消息，实现状态信息的实时更新监控。因本系统聚焦逻辑能力实现，用户体验和更多优化方案暂未考虑，暂采取查询询问方式获取监控信息。

5结语

具体而言，无线智能家居系统是一种嵌入式的技术，不仅具有较为完善的功能，而且灵活性较高，同时具有较好扩展性以及较高智能化程度，顺应满足了现代智能化发展的要求。

参考文献:

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