一种基于ZigBee技术的智能家居监控系统设计

摘要：ZigBee技术以其低功耗、组网灵活、部署成本低等优点，在各个领域得到了广泛的应用。该文提出一种以Tina6410和GSM通信模块为平台环境，基于ZigBee组网技术的智能家居监控系统。系统通过PIC单片机采集空气质量、温度和湿度等数据，建立Web服务，通过Internet网络传输到用户端，并通过GSM发送自动报警。用以满足家居、办公等室内环境的监控的无线、智能化。

随着现代科技的发展和生活质量的提高，人们对住宅的要求，除了安全性、舒适性之外，更注重它的智能化与网络化。美国最早提出了智能家居(Smart Home)的概念，国内很多企业也竞相研究开发智能家居系统。家庭监控系统，作为智能家居系统里一个重要的应用，已经受到众多企业和开发人员的关注。但是早期的系统系统大多采用有线连接方式，在装修设计时候布线繁琐、工程复杂，因此，开发基于无线通信的智能家居监控系统具有重大意义。

1 传统家居监控系统

近几年随着电子技术、自动化控制技术及计算机通信技术的发展和融合，智能家居已经从概念提出的萌芽期到丰富产品设计的融合演变期，国内出现了一些知名智能家居品牌，如物联传感、海尔U—Home、智慧之家、云家等。智能家居中一个非常重要的应用，是家居安全监控，保障家居的安全性。

传统的无线智能家居监控方案中，主要方案包括：采用蓝牙、802.11无线局域网技术，但是编程实现复杂、芯片价格较贵;采用红外控制方案，传输距离太短，遇到障碍物而无法传输，同时在建成的楼房进行安装比较困难;采用控制终端与互联网接入方案，其实现复杂难度高、可扩展性差，同时费用也比较高，这些技术的主要缺点有：

1)采用ZigBee技术组网传输，多数选择的是“单片机控制+ZigBee芯片“方案，没有模块化的设计，传输天线设计麻烦而且信号稳定度不高。

2)采用的方案多数是同时存在多个控制端，互相之间的通信协议设计非常复杂，效率较低，同时主次监控端的功能区分不明确，有功能重复的部分。

3)采用的现有方案中，多数缺乏娱乐功能的开发。

4)采用的监控系统，添加监控模块较为复杂，可拓展性较差。

因此，根据现有设计方案的状况，设计一种灵活、可拓展性较强、组网与控制稳定的智能家居监控系统具有较好的实用价值。

2 无线监控系统设计

针对现有无线智能家居系统存在的主要缺点，本文提出一种无线、智能化的、主控端功能区分明确、传输信息稳定，且具有功耗低，硬件成本低廉，安装方便的智能家居监控系统。

该系统包括与控制主机连接的ZigBee中心收发模块，多个嵌入在家居设备、报警传感器或家用电器之内的ZigBee节点模块和控制电路模块，ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块之间通过ZigBee协议路由无线发送数据;控制主机通过GSM发送报警信息，通过Interner网络远程监控家居环境，并具有家庭娱乐功能。

图中相应代码及其功能：

①红外检测部分;

②温度检测部分;

③湿度检测部分;

④气体检测部分;

⑤GSM通信模块;

⑥娱乐功能部分;

⑦7寸LCD液晶显示器。

⑧ZigBee无线通信子模块MRF24J40。

如图1，基于ZigBee网络的无线智能家居监控系统，其特征在于：主控端所述的控制主要硬件包括Tiny6410核心板、ZigBee模块、GSM模块和7寸电阻触摸屏;用户可以通过远程的Internet服务器登录到本系统中的主控制器界面上，实现远程监控家居信息的功能，当家里有遇到什么危险或者是突发情况的时候，还可通过如图所示的GSM模块发送短

信通知给用户的主人，所述的控制电路模块为控制板电路模块(即主控部分)，从控部分主要由ZigBee子节点、PIC18f4620和各个被控设备构成，接收ZigBee节点模块发送的驱动信号，或者接收被控制设备的触发信号，并将其传递给ZigBee节点模块;所述的被控设备为红外报警器、温度传感器、湿度传感器、烟雾报警器。

3 系统组成与功能

系统设计的监控系统主要有两大功能模块：基于ZigBee技术组网的无线传感器网络和基于嵌入式ARM平台的Web服务器。ZigBee无线传感器网络的主要功能是实现各子节点组网与信息传输，并及时向主控制终端反馈信息与状态。以ARM内核Tiny6410硬件作为嵌入式平台，建立Web服务器，支持TCP/IP协议，可以与外部网络进行通信。用户想要实时查询家庭环境的信息，可以登陆Internet网络，远程访问嵌入式Web服务器(即主控制界面)。

本系统主要实现以下功能：

1)红外探测子节点负责环境变化的监测，遇到非正常状态陌生人进入，节点发出触发信号，底层控制器PIC18f4620芯片采集的相应数据，发送到网络中的协调器子节点，同时通知嵌入式Web服务器并启动通信模块，通过GSM网络往指定的手机用户发送报警信息，用户想及时了解家中的情况，也可以通过IE浏览器访问嵌入式Web服务器，如图1中的①、⑤部分。

2)系统温度监测子节点实时监视室内温度，上传给主控制器Tiny6410并在液晶屏幕上实时显示，主控制器可以设定温度报警阈值，也可设定是否上传给Web服务器，方便用户查看。用户如需远程控制，主控制器Tiny6410接收到远程控制信息，即产生控制命令字，通过串口与ZigBee协调器通信，再由ZigBee协调器发送给终端子节点，实现对室内温度的实时调节，如图1中的②、⑦部分。

3)系统设计的湿度子节点实时监测家中环境的湿度，用户通过Internet网络，登陆嵌入式Web服务进行数据查询。同时湿度检测子节点也可设定阈值，超过阈值会向主控制器发送报警信息，如图1中第③部分。

4)烟雾检测子节点带有相应的烟雾传感器，将采集的信号经过处理，通过ZigBee网络传送到主控板。系统可以实时监测家中一氧化碳气体浓度，当检测值超过设定的阈值时，子节点控制系统将迅速启动排气扇装置，并通过GSM网络向用户手机发送报警信息，如图1中第④、⑤部分。

5)所述的控制器是Tiny6410核心板，CPU允许速度快、功能强大，该模块可扩展很多的娱乐功能，例如MP3、MP4具有丰富的家庭娱乐功能，如图1中第⑥部分。

6)ZigBee技术具有组网简单，可扩展性强的特点，所组网络允许新节点的及时加入与管理，方便系统拓展新的监控模块，具有安装方便和成本低的优点。

4 系统软件设计

系统主控芯片为ARM内核Tiny 6410控制器，负责整体系统的运行控制、驱动调配与界面管理;底层采用PIC公司的PIC18F4620控制器，驱动无线通信模块，以ZigBee技术组网，负责主从节点间的通信，同时执行终端控制界面下达的任务。系统软件设计的整体流程如图2所示。

5 系统实际运行效果

系统采用虚拟QT进行实时人机界面的开发，它是一款GUI设计软件，只需要在一个平台上面设计好，即可在其它平台上面直接移植运行，具有较好的平台适应性。开发的应用程序清晰美观，非常适合于嵌入式系统人机交互界面的开发。底层通过PIC单片机采集温度、湿度等传感器信息，通过ZigBee技术组网并传送数据到人机交互界面，方便及时监控系统的运行状态。系统基于ARM硬件平台上的液晶界面运行效果如图3所示。

6 结束语

本系统以Tina6410处理器为核心，采用PIC18f4620单片机采集底层数据，通过ZigBee技术组成无线网络控制系统，并建立Web服务器通过Internet网络传输到用户端，同时可以通过GSM发送报警信息。本系统具有功耗低、组网方便、可拓展性强等特点，方便远端进行实时监控，有良好的发展前景。