智能家居網關綜合系統的設計與實現論文

　　1 概述

隨着計算機技術、網絡技術、無線通信技術的不斷成熟，物聯網開始應用於社會各個領域，並不斷改變着人們的生活和生產方式。智能家居系統，是物聯網不斷普及時代應運而生的典型智慧工程案例，通過應用短距離無線通信方式，將傳感器、家用電器、多媒體等設備互聯，實現數據的集中管理與控制。智能家居系統採用嵌入式技術，使用網關傳感節點和平台管理軟件對數據進行採集、傳輸與管理。在智能家居系統中，智能網關作為統一收集家居環境中各電氣設備的信息及運行狀態的重要設備，對整個智能家居系統的性能起着關鍵性作用。通過智能網關，實現家居系統中各個節點互聯，用户可以隨時隨地查看居室環境、控制家庭中的電氣設備。因此，採用當前主流傳輸技術——無線射頻收發技術及嵌入式管理平台，設計基於ZigBee 技術的智能家居網關綜合系統，對開發及優化智慧家居系統具有重要意義。

　　2 智能家居網關綜合系統設計

2.1 智能家居系統功能分析

結合實際應用，智能家居系統主要實現安全監測、信息獲取、節點控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統。

(1)家庭安全子系統：實現廚房安全監測、燃氣數據超標監測、廚房報警，當狀態超出控制範圍，由網關發送警情短信給業主，或撥打電話給物業。(2)智能控制子系統：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉發器實現對電視、冰箱、空調等家電設備的控制。燈光控制則通過無線的方式實現對燈光、強電智能開關控制器等設備的控制。(3)宜居生活子系統：包含生活服務提示、居室傳感器與家用電器的反饋控制系統。系統從互聯網中即時獲取當地天氣信息，具有推送信息、提醒等功能。居室傳感器與家用電器的反饋控制系統實現温濕度節點與空調扇及加濕器等居室温濕度自動調節、光線節點與窗簾/照明燈的光線自動調節、紅外轉換器代替多個遙控器的紅外控制等。(4)系統設置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動家庭安全,關閉宜居生活;居家模式啟動家庭安全,啟動宜居生活的基本級別監控;自由模式可根據用户生活習慣自由設置。在系統設置中可以預設電話，比如業主或物業電話等。因此，結合以上智能家居系統功能，智能網關綜合系統作為智能家居系統中的重要構成，主要負責數據的採集、處理及傳輸。

2.2 綜合系統架構設計

在整體系統功能分析的基礎上，進行了綜合網關係統的架構設計，系統架構包含ZigBee 可燃氣體傳感器節點、ZigBee 窗簾控制器節點、ZigBee 温濕度節點、ZigBee 光線傳感器節點、紅外轉發節點、ZigBee 控制插座等。

智能家居網關綜合系統採用先進的無線通信技術，通過ZigBee短距離無線通信方式實現家庭基礎設施與網關的互聯互通，省掉了繁瑣的佈線。傳感器/執行器採用2.4G 頻段，與智能網關之間以ZigBee 技術實現無線連接方式，通過Wifi 或Ethernet 將網關接入局域網，或通過GPRS/3G 模塊將網關接入移動互聯網。

　　3 硬件系統實現

基於以上對智能家居系統功能、智能家居綜合網關係統的設計架構分析，系統硬件的實施主要包含智能網關、可燃氣體傳感器、無線窗簾控制器、温濕度傳感器、無線插座繼電器等元件。

3.1 智能網關

智能網關是該系統中的核心構件，通過智能網關，實現ZigBee網絡與wifi 網絡的無縫對接，完成數據的轉換和傳輸。傳感器感知並採集數據後，發送至此網關，網關再將數據轉換後傳輸至wifi 網絡。系統採用高性能的四核Cortex-A9 核心板，該核心板採用三星Exynos4412 作為主處理器，運行主頻可高達1.5GHz，Exynos4412 內部集成了Mali-400 MP 高性能圖形引擎，支持3D 圖形流暢運行，並可播放1080P 大尺寸高清視頻。

ZigBee 網關的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE802.15.4 和ZigBee 應用，經濟且低功耗，且支持無線更新和大型應用程序，可編程輸出功率達到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA 的電流損耗，具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

圖2 網關芯片

3.2 可燃氣體傳感器實現

該系統選用MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用於家庭或工業上的液化氣、煤氣天、燃氣監測裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對液化氣、天燃氣、煤氣較好的靈敏度和快速響應及恢復特性。

RGA：讀可燃氣體傳感器

地址段：用於存儲傳感器模塊地址

命令：RGA

地址：加入傳感器模塊地址

數據：GAzzz(3 字節ASCII 碼數據)

可燃氣體傳感器測試ASCII 數據為“123”表示可燃氣體的ADC

採樣值為0x7B。

3.3 無線窗簾控制器實現

通過ZigBee 模塊無線控制電機的正轉與反轉，實現窗簾的'開啟與閉合。該模塊分兩路對窗簾進行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時實現雙層窗簾家居應用的要求。

TDP：窗簾控制器

地址：用於存儲傳感器模塊地址

數據：yy == D1/D2 +0/1/2

D1/D2：表示窗簾1 或2

0/1/2：0 表示窗簾開1 表示窗簾關，2表示暫停

地址：傳感器模塊地址

數據：OK

3.4 温濕度傳感器選型

選用SHT1x，包括SHT10, SHT11 和SHT15 型號。SHT1x 屬於Sensirion 温濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板。

RSH：讀高精温濕度傳感器

地址段：用於存儲傳感器模塊地址

命令：RSH

WD 代表温度傳感器，SD 代表濕度傳感器

地址：加入傳感器模塊地址

數據：WD/SD+zz(2 字節16 進制數據)

2 字節16 進制數據需要計算後，可得到温度或濕度值

3.5 無線插座繼電器選型

無線插頭是最重要的控制元件之一，用於遙控、遙測、通訊、自動控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。

TRE：測試繼電器

地址：加入傳感器模塊地址

數據：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

E1/E2/E3/E4：表示繼電器1 或2

0/1：1 表示閉合0 表示斷開

地址：傳感器模塊地址

數據：OK

　　4 軟件系統實現

通過以上功能分析及系統設計，實現了以嵌入式為基礎，採用Android4.0，通過網關採集家居設施各相關節點數據，以實現宜居生活、智能控制、家庭安全監測等功能的智能家居網關綜合系統。系統實施過程中，按節點的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數據的同時，寫入到後台數據庫，系統為安防報警傳感器設置一定的閥值，在超過值時提示報警信息，並可以通過3G 發送到移動終端。

　　5 結束語

綜上所述，在智能家居控制系統中，智能家居網關是整個系統的中心結點，它在系統應用過程中承載着上傳下達的功能，通過對系統功能需求進行具體分析，構建了基於嵌入式的系統整體架構，並在架構基礎上，進行了硬件系統的整體設計。系統採用了低功耗的ZigBee 技術及當前流行的安卓應用技術開發，具有良好的應用推廣價值。