基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统设计

武一，包春兰

（河北工业大学信息工程学院，天津 300401）

基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统设计

武一，包春兰

（河北工业大学信息工程学院，天津 300401）

适应智能家居无线通信和远程控制的需要，设计一种基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统．该系统采用ZigBee无线通信技术组建家庭内部的无线网络，并通过GSM网络实现用户手机对智能家居的远程控制．文章详细阐述了系统的总体结构模型与工作原理，就系统的软硬件特点，给出了整套系统的详细设计方案；实验表明该系统具有功耗低、可靠性高、易扩展、使用方便等优点，在智能家居系统中具有非常广阔的应用空间．

ZigBee；GSM；智能家居;CC 2430；远程控制；TC35i

智能家居网络中的各类传感器数据以及开关控制信号传输的数据量小，所以不需要太大的传输速率，但是要求网络的容量大、可靠性高、低功耗．为了使智能家居走进千家万户，要求智能家居系统安装简单、使用方便，成本低、扩展性好．而传统的智能家居系统采用有线组网，存在布线难、成本高、不易扩展等问题，已逐渐被无线组网方式取代．现有的短距离无线通信技术包括红外技术、家庭无线电射频技术、IEEE802.11技术、蓝牙技术等，在家居环境下都存在着一定的局限性．ZigBee技术具有近距离、低功耗、低速率、低成本、高安全性等优点，满足了智能家居低速率、低成本、低功耗、高可靠性等的要求．而能够远程控制家居的方案也多种多样，如Internet、GSM、GPRS等，由于手机已经是人们不可或缺的必备通信工具，所以选择GSM网络实现智能家居的远程控制，人们可以随时随地对家居内部进行监控．

本文设计了一种基于ZigBee和GSM的智能家居系统，该系统利用ZigBee技术组建家庭内部无线网络，实现对家居环境的监测，如温度、湿度、可燃气体的报警信息等，保证了家居环境的适宜和安全；还有对电器设备等的开关控制，如电视、空调、热水器等．并将家庭内部网络与GSM网络连接，实现智能家居的远程通信．

1 系统结构模型

ZigBee网络存在3种网络拓扑结构：星型、树形和网状型，星型网络简洁、复杂度低，非常适用于家庭的小规模短距离无线传输系统[1]，所以本设计采用星型网络结构．系统总体结构模型如图1所示，包括ZigBee网络协调器、各种功能的终端节点、LCD显示模块和GSM手机通信模块．终端节点包括可燃性气体报警信号采集节点、温/湿度采集节点及各种控制节点．

系统总体功能主要包括家居环境信息检测和家居设备的控制，并且用户可以通过手机对家居环境进行监测和对家电的控制，环境信息如温度、湿度、可燃性气体报警信号等；家居设备如灯、电视、空调、热水器等．

协调器是整个ZigBee网络的核心，协调器负责启动整个网络，网络启动后允许终端节点加入网络，并对终端节点进行管理，形成一个ZigBee网络[2]．随后协调器将作为智能家居系统的总控制器，传感器节点将采集到的数据通过ZigBee网络传输到协调器中，协调器将这些数据进行分析处理，将数据通过LCD显示；若存在报警信号，则协调器通过GSM模块向用户手机发送报警信息．用户可以通过手机或键盘发送控制命令给控制节点进行开关控制．

终端节点包含多个传感器节点和控制节点．终端节点相当于ZigBee网络的触角，传感器节点负责收集家居环境信息发送给协调器处理．可燃性气体传感器节点负责检测家居环境中的可燃性气体浓度是否超标，若超标，该节点一方面驱动蜂鸣器报警，一方面向协调器发送报警信号；温湿度传感器节点负责采集环境中的温湿度数据，传输给协调器显示且供用户查询．控制节点接受来自协调器的命令，对相关设备进行控制．每个传感器节点都可以设置为睡眠模式[3]，在没有数据采集、发送时进入休眠，节省功耗，延迟使用寿命．

图1 系统的结构模型Fig.1 The structuremodelof system

2 系统硬件设计

智能家居系统ZigBee网络使用无线龙出产的C51RF-3系列的无线模组．C51RF-3包含多个ZigBee模块和网络扩展板，扩展板中携带LCD、键盘、串口等相关电路．ZigBee模块是协调器和终端节点的核心电路，采用TI公司的CC2430芯片，它在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器．扩展板和一个ZigBee模块组成网络协调器，由电源供电．这里重点介绍终端节点的电路设计．本设计中传感器采用温湿度传感器DHT11、可燃性气体传感器MQ-5模块．控制节点的采用继电器电路．

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2.1 温湿度传感器节点的电路设计

温湿度传感器DHT11通过一根数据线DATA与CC2430芯片的P0.0连接，将采集到的温湿度数据通过串行方式送至CC2430芯片．温湿度传感器节点电路图如图2所示．

2.2 可燃性气体传感器节点的电路设计

可燃性气体传感器MQ-5模块中D0是数字开关输出引脚，A0是模拟量输出引脚．当气体浓度超出阈值时，D0输出低电平，A0输出的电压随气体的浓度逐渐增大．本设计将模块的D0引脚与CC2430的P0.1引脚连接，检测是否有低电平输出，即检测气体浓度是否超出阈值．CC2430的P0.3引脚连接蜂鸣器电路，当气体浓度超出阈值时，驱动蜂鸣器，达到报警的目的．可燃性气体传感器节点电路如图3所示．

图2 温湿度传感器节点电路Fig.2 The circuitdiagram of temperatureand humidity sensornode

图3 可燃性气体传感器节点电路Fig.3 The circuitdiagram of combustible

3 系统软件设计

3.1 ZigBee网络的软件设计

ZigBee网络的软件设计选择IAR开发环境，因为ZigBee协议栈是半开源代码，所以本系统只需要在各个设备节点的ZigBee协议栈Z-stack2006的应用层中添加代码，即可实现ZigBee网络的建立和无线通信．

ZigBee设备类型有3种：协调器、路由器和终端节点．由于本设计中采用星型网络，所以网络中只存在一个协调器和多个终端节点，协议栈根据其设备类型选择不同的网络配置文件来启动设备．终端节点只能和协调器节点进行通信．

3.1.1 协调器节点软件设计

图4 协调器节点流程图Fig.4 The flow chartof coordinatornode

协调器是ZigBee网络的核心同时也是智能家居系统的主控制器．协调器节点的程序流程如图4所示．设备上电后，进行系统初始化操作，设备根据其网络配置文件选择设备类型为协调器，协调器首先进行能量检测和信道选择（默认信道为11），然后申请网络建立．网络层根据设备64位IEEE地址给设备分配一个16位的网络地址和PAN标识符来启动网络．网络建立成功后，等待终端节点加入网络，对终端节点发出的加入网络申请进行响应，反馈给终端节点确认信息，并且分配16位的网络地址．随后协调器侦听所有无线信道，若有数据则接受数据并进行分析处理．协调器同时还检测串口有无控制/查询命令信息，若串口传来控制/查询命令信息，协调器将控制命令发送给相应的终端节点；协调器接收查询命令并将所查询的信息反馈给GSM模块，由GSM模块将此信息发送至用户手机．

3.1.2 终端节点软件设计

终端节点的启动过程和协调器启动过程类似，但两者的网络配置文件不同．终端节点上电进行初始化，扫描信道寻找网络，若发现网络则请求加入网络．协调器收到加入请求后经网络层向应用层发送加入确认信息，终端节点启动且已经加入网络．

本设计中终端节点分为传感器节点和控制节点，温湿度传感器节点通过传感器采集温湿度数据，借助ZigBee模块将数据发送给协调器；可燃性气体传感器节点检测传感器输出的电平，若为低电平则向协调器节点发送报警信息，否则继续等待信号采集．终端节点发送成功则进入休眠状态，等待定时器唤醒；若发送失败，则继续发送，直到发送成功为止．控制节点加入网络后则是时刻侦听信道，接收来自协调器的控制命令并执行此命令．终端节点程序流程图如图5所示．

3.2 GSM模块软件设计

GSM模块主要作用是向用户手机发送设备状态信息和报警信息，接收来自手机的控制命令．所以GSM模块的软件设计主要是短信的收发程序设计，GSM模块的通信全部采用AT指令完成．

目前，发送短消息常采用Text和PDU（ProtocolDataUnit，协议数据单元）模式[4]．使用Text模式收发短消息代码简单，实现容易，但缺点是不能收发中文短消息；而PDU模式不仅支持中文短消息，也能发送英文短消息，所以本设计采用PDU模式收发短消息．

图5 终端节点流程图Fig.5 The flow chartof Terminalnode

GSM模块使用之前必须进行初始化，初始化包括串口通信，设置串口通讯波特率，SIM卡的状态查询、网络信号强度、设置短消息的收发模式等[5-6]．初始化结束允许收发短信息．

3.2.1 发送短消息

发送短消息的主要工作是将发送的内容进行相应的编码，然后是将发送所用的SMS服务中心号码、目标号码、有效时间和编码后的短信内容按照PDU的格式发送出去．短消息的发送流程如图6所示．

3.2.2 接收短消息

接收短消息就是协调器读取SIM卡中短消息的过程．用户手机发送短消息到GSM模块后，短消息存储在SIM卡中，协调器首先读取SIM卡中的新消息，然后分析短消息的PDU格式，从PDU格式中获取短消息的编码方式，对短消息进行解码，协调器根据短消息内容进行相应的操作．接收短消息的流程如图7所示．

图6 短消息的发送流程图Fig.6 The flow chartofshort message sending

图7 短消息的接收流程图Fig.7 The flow chartof short message receiving

4 系统调试结果

如图8所示，协调器上电启动，分配网络ID号．等待终端节点的加入和数据的收发．

如图9所示，温湿度传感器节点加入网络并向协调器发送数据，协调器将这些数据经LCD显示．如图显示了终端节点的设备ID和温湿度数值．

5 结论

本文设计了基于ZigBee技术和GSM的智能家居系统．该系统应用ZigBee技术组成星型网络，使各种家居设备通过无线网络联系起来，能够对家居环境和设备进行统一的管理和控制，实现了家居的智能化．系统将家庭内网通过串口连接GSM网络，使用户能够通过手机监控家居环境和设备，实现了智能家居系统的远程控制．该系统安装方便、使用简单、容易扩展，用户可根据自己的需要设置不同的终端节点．系统满足了小型家庭的低功耗、低成本的需要，让智能家居走进千家万户．

图8 协调器节点启动状态Fig.8 The startup state of coordinator node

图9 协调器节点接收到终端节点的数据并显示Fig.9 The coordinatornode receive and display the data from the term inalnode

[1]冉彦中，曹婧华．Zigbee协议星型组网实验的设计与实现[J]．实验技术与管理，2013，30（2）：101-102．

[2]贺安坤，张亮．基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与实现[J]．微计算机信息，2012，28（9）：168-169．

[3]陈龙涛，罗桂娥．基于ZigBee技术的智能家居系统的研究与设计[J]．微型机与应用，2010，29（20）：100-102．

[4]张增林，郁晓庆．基于GSM网络的家庭智能监控器[J]．微计算机信息，2012，28（9）：8-10．

[5]郭稳涛，何怡刚．智能家居远程监控系统的研究与设计[J]．计算机测量与控制，2011，19（9）：2109-2112．

[6]高明明，惠晓威．基于GSM短信的智能家居控制系统的研究[J]．微计算机信息，2010（34）：79-81．

[责任编辑 代俊秋]

Design ofsmarthomesystem based onGSM and zigbee technology

WU Yi，BAOChun-Lan

(School of Inform ation Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Tomeet the needs of the wireless communication and the remote control of the smart home,a smart home system based on GSM and ZigBee technology isdeveloped.The system use ZigBeew ireless communication technology constructs thew ireless network of smarthome,and remote control is achieved by GSM network.Thispaperexpounds theoverallstructuremodelof thesystem and theworking principleof thesystem,based on thecharacteristicsof hardware and softw are,givesa detailed design scheme of the system;The experimentshows that the system has characteristics of low pow er consum ption,high reliability,good expansibility,easy to useand so on,which alsohasvery broad app lication space in smarthome.

zigbee;GSM;smarthome;CC2430;remote control;TC35i

TN 92

A

1007-2373(2014)01-0015-04

2013-09-28

武一（1964-），女（汉族），教授．