【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使用的遙控器控制系統(tǒng)，第二套是出門在外時(shí)使用的手機(jī)控制系統(tǒng)，第三套是在家中控制智能管家。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 根 據(jù)總體方案畫出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖，如圖 31 所示。按照結(jié)構(gòu)層次系統(tǒng)劃分為三層：數(shù)據(jù)感知層（協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)）、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（智能終端）。 圖 31 智能家居 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 數(shù)據(jù)感知層的終端是 系統(tǒng)的前線，它起著數(shù)據(jù)供給的作用。它在系統(tǒng)的邊緣，是數(shù)據(jù)采集終端，算是擁有獨(dú)立系統(tǒng)的單元，它有獨(dú)立的微控制器（嵌入的 8051 內(nèi)核），所以響應(yīng)控制中心發(fā)來的命令，經(jīng)過分析之后命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)操作。設(shè)計(jì)結(jié)合智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)， 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 11 如家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短，分布的節(jié)點(diǎn)并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大?；诩彝ゾW(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，以協(xié)調(diào)器為中心節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)星形家庭網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)做為家居系統(tǒng)的控制心，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它支配整個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)，不僅負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信，并且還需 要通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。通過智能管家或者手機(jī)發(fā)送命令，將命令接入網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將命令轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器通過傳輸轉(zhuǎn)達(dá)給終端。終端獲得信息后控制外設(shè)傳感器等器件，這些外設(shè)就屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們時(shí)刻等待命令，一旦接受立即執(zhí)行相應(yīng)操作。 應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)向用戶遠(yuǎn)程傳達(dá)信息，可以通過 WiFi 網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)相互連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信功能。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 智能家居系統(tǒng)中，控制終端（如手機(jī)）和受控終端（家居設(shè)備）為日常家居中的現(xiàn)成 產(chǎn)品，它們只需通過適當(dāng)?shù)慕涌诩{入系統(tǒng)架構(gòu)中即可。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、 ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和家居控制模塊設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)以微分電子公司的物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)箱為平臺(tái)，平臺(tái)提供一個(gè)A8 網(wǎng)關(guān)、一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和 6 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在智能家居控制模塊上。 實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)包含了光照度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、煙霧濃度探測(cè)節(jié)點(diǎn)、紅外反射傳感節(jié)點(diǎn)、步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)和繼電器節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)基本的家居環(huán)境檢測(cè)、家居控制和家居安防功能，如：光照強(qiáng)度的采集、溫度和濕度的采集、智慧燈光控制、電動(dòng)窗簾控制、紅外探測(cè)和煙 霧探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，又添加了太陽能洗浴、報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)門禁、與智能管家系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)家居隱患以及家居的安防。 （ 1）自動(dòng)門禁控制系統(tǒng) —— 忠實(shí)守衛(wèi)，我們的家 當(dāng)房子主人走到門口時(shí)，只要拿出手機(jī)輕輕一點(diǎn)，手機(jī)發(fā)出相關(guān)命令就可以實(shí)現(xiàn)房門自動(dòng)打開與關(guān)閉。當(dāng)客人到訪而家中無人或遇到火情需要救援人員進(jìn)入家中時(shí)，主人可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程遙控打開房門。本部分通過手機(jī)軟件的加密措施實(shí)現(xiàn)安全的防盜功能。本子系統(tǒng)由電磁鎖、驅(qū)動(dòng)模塊、防盜門模型、手機(jī)和 CC2530 終端節(jié)點(diǎn)等組成 ，如圖 41 所示。 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 12 圖 41 門禁控制硬件框圖 （ 2）智慧燈光控制 —— 解放雙手，智能感應(yīng) 本子系統(tǒng)由燈光控制電路、光敏、紅外探頭、燈泡、遙控器和 CC2530 終端節(jié)點(diǎn)等組成，如圖 32 所示。 當(dāng)房主進(jìn)入房間時(shí)，燈光自動(dòng)打開，房主離開房間時(shí)燈光自動(dòng)關(guān)閉。本模塊還可以檢測(cè)進(jìn)入房間、離開房間的人數(shù)。只有當(dāng)進(jìn)入本房間的所有人離開時(shí)燈光才會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。主人也可以按照自己的需求隨時(shí)控制燈的亮滅，如圖 42 所示。 圖 42 燈光 控制硬件框圖 （ 3）太陽能洗浴 —— 輕輕 一點(diǎn)，溫暖你的身心！ 本子系統(tǒng)由電磁閥門、太陽能模型、水位檢測(cè)探頭、驅(qū)動(dòng)模塊、手機(jī)和 CC2530 終端節(jié)點(diǎn)等相互配合組成。當(dāng)主人下班時(shí)，可以通過手機(jī)自動(dòng)打開太陽能電磁閥門，在浴盆中提前注入合適水量的熱水。當(dāng)主人回家時(shí)就可以馬上舒舒服服的洗澡，如圖 43 所示。 CC2530 模塊 光敏 控制電路 紅外探頭 燈泡 CC2530模塊 路由器 電磁鎖 驅(qū)動(dòng)模塊 協(xié)調(diào)器 GPRS 手機(jī) 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 13 圖 43 太陽能洗浴硬件框圖 （ 4）電動(dòng)窗簾控制 —— 自動(dòng)開關(guān)，隨意遙控！ 本子系統(tǒng)由窗簾、窗戶模型、步進(jìn)電機(jī)、單簧管、光敏、驅(qū)動(dòng)模塊、遙控器和 CC2530終端節(jié)點(diǎn)等組成。早晨，當(dāng)您還在熟睡，臥室的窗簾自動(dòng)打開，溫暖的陽光灑進(jìn)房間，呼喚您開始新一 天的生活。當(dāng)夜幕降臨，光敏感應(yīng)，窗簾自動(dòng)閉合。主人也可以按照自己的需求隨時(shí)使用遙控器發(fā)送指令控制窗簾的打開與關(guān)閉，如圖 44 所示。 圖 44 窗簾控制 硬件框圖 （ 5）廚房自動(dòng)控制系統(tǒng) —— 與家電的對(duì)話！ 本子系統(tǒng)由電飯煲、驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器、協(xié)調(diào)器、手機(jī)和 CC2530 的終端節(jié)點(diǎn)等組成。當(dāng)房主下班時(shí)，可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制電飯煲開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)煮飯的功能，如圖 45 所示。 圖 45 電飯煲控制硬件框圖 （ 6）防火自動(dòng)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng) —— 智能安防，時(shí)刻守護(hù)！ 本子系統(tǒng)由煙霧傳感器、揚(yáng)聲器、 GPRS 模塊和 CC2530 終端節(jié)點(diǎn)等組成。當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生火情時(shí)，煙霧傳感器會(huì)檢測(cè)到火情并啟動(dòng)揚(yáng)聲器同時(shí)通過 GPRS 模塊發(fā)送相關(guān)指令至主人手機(jī)，及時(shí)遏制火勢(shì)蔓延，如圖 46 所示。 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 14 圖 46 防火系統(tǒng)硬件框圖 （ 7）遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警 —— 輕松監(jiān)控，智能實(shí)現(xiàn)！ 本子系統(tǒng)由攝像頭、揚(yáng)聲器、 A8 網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器、手機(jī)和 cc2530 終端節(jié)點(diǎn)等組成。當(dāng)系統(tǒng)處于防盜模式時(shí)，盜賊潛入家中，揚(yáng)聲器自動(dòng)開啟鳴笛震懾，同時(shí)會(huì)有短信或電話發(fā)送至主人手機(jī)，主人可通過互聯(lián)網(wǎng)，利用視屏實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并處理家中境況，如圖47 所示。 圖 47 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖 （ 8）無線遙控 —— 隨時(shí)隨地，全屋掌控 ! 本系統(tǒng)將所有子系統(tǒng)連接在一起，只需要利用遙控器，就可以在家里任何地方遙控家里樓上樓下、各個(gè)房間的燈和電器；利用手機(jī)，更可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家內(nèi)家外對(duì)所有控制系統(tǒng)實(shí)施全面遙控。 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 15 第 5 章 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) ZigBee 協(xié)議棧 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。它的物理層和 MAC 層都是由 所定義，其中物理層支持 868/915MHz 和 三種頻段。 MAC 層之上 是網(wǎng)絡(luò)層，主要提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)收發(fā)和路由功能。網(wǎng)絡(luò)層之上是應(yīng)用層，應(yīng)用層又分為幾個(gè)模塊，其中網(wǎng)絡(luò)層之上的是應(yīng)用支持子層，簡(jiǎn)稱“ APS”，主要提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理和綁定功能。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象提供設(shè)備管理的各項(xiàng)功能，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、綁定管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。另外 ZigBee 還提供了安全的功能，成為安全服務(wù)提供者，簡(jiǎn)稱“ SSP”為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供安全服務(wù)。完整的 ZigBee 體系結(jié)構(gòu)由物理層、 MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。不同層之間通過服務(wù)接入點(diǎn)進(jìn)行通信，每一層為其上層提供服務(wù)。其中物理層和 MAC 層之間是物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)， MAC 層與網(wǎng)絡(luò)層之間是 MAC 層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)和 MAC 層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層與 APS 之間是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)， APS 與各應(yīng)用對(duì)象之間是 APS 數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)和 APS 管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)。 圖 51 ZigBee 協(xié)議體系架構(gòu) Zstack ZigBee 聯(lián)盟規(guī)范了協(xié)議，具體的協(xié)議編程語言表述則由 IC 廠商指定。 Zstack 是 TI 公司開發(fā)的一款 ZigBee 協(xié)議棧，是對(duì) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的具體實(shí)現(xiàn)。 Zstack 是半開源的協(xié)議棧，其 核 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 16 心部分的代碼都是編譯好的，以庫文件的形式給出的，比如安全模塊，路由模塊和 Mesh 自 組網(wǎng)模塊。 與 ZigBee 協(xié)議像對(duì)應(yīng) ， Zstack 協(xié)議棧采用分層的結(jié)構(gòu)，如圖 52 所示。 圖 52 Zstack軟件結(jié)構(gòu) Zstack 協(xié)議棧使用了一個(gè)操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。該操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性 好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。當(dāng)主程序執(zhí)行到啟動(dòng)操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)的指揮權(quán)就交給了OS，由操作系統(tǒng)控制各個(gè)任務(wù)的調(diào)度切換及數(shù)據(jù)傳送等功能。 Zstack 協(xié)議棧已經(jīng)做了很多的工作，用戶只需要在 APL（ 應(yīng)用層）上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用就可以了。 ZStack 幾乎都是 C 語言寫的 ，用戶對(duì) 于 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)就簡(jiǎn)化為應(yīng)用層的 C語言程序開發(fā)。此外 ， Zstack 提供了很多的例程，在根據(jù)節(jié)點(diǎn)電路移植協(xié)議棧后，通過修改例程可以很快地完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。使用協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)的好處，不需要過多關(guān)注協(xié)議的細(xì)節(jié)，只需要掌握數(shù)據(jù)的流動(dòng)過程，以及如何使用協(xié)議棧提供的函數(shù)來完成自身項(xiàng)目的需求即可。因此，本文選擇基于 Zstack 協(xié)議棧進(jìn)行 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程 序開發(fā)。 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點(diǎn)組成。其軟件設(shè)計(jì)主要包括 ZigBee 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)和 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。 通信協(xié)議 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的物理層和 MAC 層的通信協(xié)議遵循 標(biāo)準(zhǔn)，由于本智能家居系統(tǒng)中 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用簡(jiǎn)單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層也不涉及路由尋址等問題，因此，本文通信協(xié)議的設(shè)計(jì)主要考慮應(yīng)用層 。數(shù)據(jù)幀格式如表 51 所示。 表 51 協(xié)議頭 保留字段 傳感器的唯一設(shè)備 傳感 器 類型 操作類型 保留字段 數(shù)據(jù)域 CRC 協(xié)議尾 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 17 Byte[0] Byte[16] Byte[712] Byte[13] Byte[14] Byte[1516] Byte[1724] Byte[25] Byte[26] 0xFF 默認(rèn)填充 為 0 識(shí)別號(hào) 2 1 或 3 默認(rèn)填充為[8,0] 傳感器返回 的信息 校驗(yàn)和 0xFF 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) （ 1） 協(xié)調(diào)器的工作流程 協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)的核心，它不僅建立了網(wǎng)絡(luò)，而且還給其它傳感器節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果沒有協(xié) 調(diào)器整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就無法運(yùn)行，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)比較的簡(jiǎn)單，其軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜。協(xié)調(diào)器初始化后就開始組建網(wǎng)絡(luò)，組建網(wǎng)絡(luò)成功后就處于等待數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，若觸發(fā)數(shù)據(jù)查詢事件，查找與該事件對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，查詢到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后發(fā)送查詢命令，然后接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，主控制器若想獲得某傳感節(jié)點(diǎn)的信息，就通過此協(xié)調(diào)器獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信息并在顯示屏上顯示該信息。協(xié)調(diào)器的軟件流程如圖 53 所示。 山 東 省 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計(jì) 大 賽 18 圖 53 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的流程圖 （ 2） 串口接收 /發(fā)送數(shù)據(jù)幀 串口通信的目的就是收集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī) (智能家居系統(tǒng) )，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)通過手機(jī)短信或者 Inter 的方式反饋給用戶，用戶根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出決策，然后再發(fā)送指令給智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)再根據(jù)串口的數(shù)據(jù)通信協(xié)議規(guī)范用戶發(fā)送的指令并將這些指令發(fā)送給 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù) ZigBee 數(shù) 據(jù)通信協(xié)議規(guī)范接收到的指令并再次將這些指令發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn) 。 ①發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的過程 發(fā)送數(shù)據(jù)幀主要在節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)和上位機(jī)發(fā)送查詢 /控制命令，此過程比較簡(jiǎn)單，沒有校驗(yàn)過程，具體步驟如下： 1) 設(shè)定起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)為 0xFF，在中間插入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼。 2) 除了起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)外，將一幀數(shù)據(jù)中的 0