基于Zigbee的智能家居系统研究与设计

唐磊

摘要：随着信息技术与物联网的发展，家庭网络成为物联网中的重要组成部分，但是传统网络布线不方便也不美观，而无线网络弥补了有线网络的缺点，省去了有线网络的布线，提供了更大的灵活性和流动性成为智能家庭系统网络的必然趋势，本文才用Zigbee协议实现智能家居的无线传输，进而控制家居中的各个部件，然后通过传感器将各个参数传入服务器内，进而达到客户自动控制。

关键词：Zigbee；智能网关；A8网关；传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0264-03

1智能家居概述

简单地讲就是把家具通过网络（一般是无线网，如：ZigBee网络、WiFi等）或者蓝牙技术把家具连接起来，实现通过手持客户端（手机、pad、PC）等操控家具的状态。其核心技术，一是远程监控：将家用电器等电子设备接入到因特网，可以实现本地区域网和远程因特网的监控；二是智能控制：智能家居系统是集家用电器、安防报警、节能环保系统等于一体的系统，当系统检测到外界环境达到设定要求时，电器设备会自动执行相应动作，达到自动控制的效果。

2 智能家居样板间组成

2.1 样板间通信过程

在开始安装调试之前我们先对整个样板间的通信流程了解一下，这样能有一个清晰的思路，方便我们下面的工作。

（1）监测：当传感器收到监测数据后，传感器会将数据通过ZigBee的传输式传输到智能网关中的协调器，然后再由智能网关打包数据，转发给服务器。服务器收数据后进行解析与计算，将最终的数据给到手机客户端，呈现在客户面前。

（2）控制：客户通过操作客户端来发出控制命令，服务器接收到控制命令后会将其转发给智能网关，在智能网关中会对控制命令进行识别，若匹配，则会下发至网关中的协调器，再由协调器下发给执行器节点，最后执行器执行相应的动作。

2.2 样板间安装和接线

以下是各个设备单品包含 5个探测器和3个监测器，控制器有：PM2.5、燃气、人体感应、CO2、烟雾；检测器有：湿度、温度、光照。

其中射灯、报警器和排风扇用的是电压型继电器，而且每個继电器都有与之对应的版号，只有版号与型号对应之后才能安装，这就需要先用串口线把三种继电器在电脑中读取其版号，然后再安装；窗帘用的是节点型继电器。下面所示各种设备的电路图以及连接方式：

（1）总电源控制箱

1） 空气开关；

2） 漏电保护器；

3） 220V接电排；

4） 公共接地排；

5） 变压器。

由外界接入220V交流电，经过空气开关和漏电保护器，连接到接线排，接线排一部分接到用于插座，（电视机，DVD播放器，门禁电源控制器，空调，窗帘，排风扇），一部分用于变压器，主要是用于给设备供电。变压器上出来有12V和5V的直流电。

（2）门禁系统

门禁系统硬件包括有：变压器电源控制器，电插锁，门铃，刷卡门禁，出门开关、门铃开关。

门禁系统控制实现：出门开关可手动控制门禁开关。

可通过RFID刷卡操作来控制门禁打开。

门铃开关可控制门铃响。

可通过Zigbee远程控制门禁开关。

门禁接线讲解：门禁电源输出12V，供给电插锁、RFID门禁和门铃。内外部信号有检测输出端发送到门禁电源PUSH端，再由门禁电源的NO、COM端发送给电插锁的L+、L-，以实现门禁的开关。注意接地线都是通的，随便接哪一个都行。

（3）灯光控制系统

灯光控制系统硬件包括有，2个LED灯，电压型继电器、双控双开开关。

灯光控制系统实现：双控双开开关可手动控制射灯开关，并能实现两个射灯的单独控制。

可通过Zigbee远程控制射灯开关。

射灯接线讲解：两个射灯的接地线都接在接线排上。现在这套样板间的设备都是控制12V正极的，也就是说，它们的接地都是接在同一端的，直接接就可以。而开关控制的是12V正极的通断。

（4）排风扇系统

排风扇系统硬件包括：排风扇，电压型继电器。

排风扇系统控制实现：可通过Zigbee远程控制排风扇开关。

（5）报警器系统

报警器系统硬件包括：报警器，电压型继电器。

报警器系统控制实现：可通过Zigbee远程控制报警灯开关。

（6）电动窗帘系统

电动窗帘系统硬件包括：导轨，电话线，窗帘电机，节点型继电器， 窗帘。

电动窗帘系统控制实现： 可通过Zigbee远程控制窗帘的开启、闭合和暂停。

（7）环境监测系统

M2.5、燃气、人体感应、CO2、烟雾。

以上模块安装时只需接上5V直流电，再拧到后盖上安装好即可使用。

（8）红外遥控转发系统

使用此红外转发器来实现样板间中电视、DVD、空调的控制。安装方法与上面的几个模块相同。

2.3 服务器搭建

服务器的搭建过程包含以下几个部分：分别是JDK的安装及java环境变量的配置、Xampp安装及配置、Mysql数据库配置、服务器软件SmartHomeServer安装、配置Tomacat以及网关链接查询注册等。其中在文件配置过程中会遇见以下问题：

1） 在配置JDK时候让文件直接解压到C盘， java环境变量的时候一定配置JAVA_HOME和CLASS_PATH，然后再系统变量中找到Path进行编辑。

2） Xampp的安装需要将问价解压到根目录下并先启动apache和mysql 服务，如果这两个服务启动不起来，有两个原因，一个是你电脑系统是XP，一个是你XAMPP文件夹放到了别的位置，一定要解压XAMPP成这个样子C：＼xampp，这样不要变成c：＼xampp＼xampp。

3） 有时候会遇到xampp安装不成功，这时候如果各种问题都没有，就只能把原来的删除重装了。

3 嵌入式网关开发

3.1 嵌入式网关开发流程

嵌入式网关开发利用的是在Linux系统下基于C++语言开发的软件，编写程序所用的开发环境是Qt Creator，嵌入式网关开发在写好程序后通过SDK将程序烧写到A8网关中，然后镜像移植，将文件夹“需复制到 sd 卡中的文件”中的 images 文件夹复制到 sd卡中，将烧录好的SD卡插到A8 网关的SD卡卡槽中，启动方式选择 SD卡启动（默认SD卡启动按下为uboot模式启动） ， 然后接入电源， 若听到蜂鸣器响一声，表示开始烧写，等待蜂鸣器连续响两声，则表示烧写完成。则可以在按一次 sd启动开关，将启动方式调为 uboot 模式启动，并按复位按钮，重启动网关。（注意，内存卡不能拔出。）这里的SDK必须是格式化过的。

3.2 嵌入式网关开发部分代码

5 结束语

基于Zigbee的智能家居系统研究与设计是将整个样板间的搭建以及开发APP放在一块，并且在实现智能家居过程中通过两个不同的开发语言实现同样的功能，两种方法各有特色。智能家居采用三层架构模式， 1）感知层：无线传感器，也就是物体与物体的连接。2）网络层：指的是网关。3）应用层：app的开发，QT和安卓开发； 用到的技术有：Zigbee协议，无线传感网，Java开发，网关开发。具体流程如下：

首先需要搭建样本间，另外进行QT开发和安卓开发，QT开发的App通过SDK运行到A8网关中并与协调器相连接，协调器内通过ZigBee技术，ZigBee协议有无线传输功能，可以直接通过传感器获取样本间的单品的具体数据，然后把数据传输到服务器中，来为安卓部分开发的App提供数据，该过程需要路由器把各个部件组成一个局域网，其中安卓开发的网关可以把其IP写成固定值来与QT开发的网关相区别，QT开发的网关IP地址在程序中已经写好了，而再与路由器连接后，路由器会自动重新分配其新的IP为了能够不冲突保证数据顺利传输，需要更改其IP地址与程序内相一致即可，这样就能够实现QT开发的网关控制门禁的开时候，可以通过安卓开发的App进行关闭，两边可以同时使用，以上过程看出安卓开发的App对QT开发的网关依赖性较强，一旦QT未完成开发时候，安卓开发的App可以通过智能网关进行测试，以后需要改进，让各自互不影响更好。

参考文献：

[1] Chipcon AS.chipcon AS SmartRF cc2420 Preliminar Datasheet[Z].Chipcon AS.2003.

[2] 周游，方濱，王普。基于Zigbee技术的智能家居无线网络系统[J].电子技术应用，2010.

[3] 林凡东，徐星.蒙智能家居控制技 [M]. 机械工业出版社，2017.

[4] 廖建尚.基于ZigBeeSimplici TI低功率蓝牙Wi-Fi技术[M].电子工业出版社，2018.