物联网智能家居电器安防系统的设计与实现

作者:郭忠南 刊名:电脑与信息技术 上传者:陶望红

【摘要】随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展,智能家居已成为人们关注的话题。ZigBee无线通信技术由于其低功耗、低成本、短距离和易于开发等优点,特别适合于智能家居的组建。文章提出了一套基于ZigBee技术的智能家居电器安防系统的设计方案,阐述了系统的硬件选择与开发平台的搭建以及数据采集节点程序与上位机软件的开发思路。整套系统在实验室环境下运行良好,对实际应用有着较好的指导意义。

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智能家居是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境[1]。传统的有线网络布线困难、扩展性差,在智能家居系统中采用无线组网技术已经成为必然趋势。本文将介绍一个采用ZigBee无线通信技术的物联网智能家居电器安防系统的设计与实现,内容包括系统的总体设计、系统软硬件开发平台的搭建以及系统软件的设计与实现。1系统整体设计本系统的整体结构图如图1所示,包括数据监控平台与无线数据节点两个组成部分。其中无线数据节点又分为负责数据采集的传感控制节点(简称为从节点)和负责组网的协调器节点(简称为主节点)两种。在每一个从节点上都连接有一些模拟电器设备与传感器,可以进行环境信息的采集与设备的控制。本系统用温度、湿度、光强度、烟雾以及燃气等五种传感器来进图1系统整体结构图行数据采集,协调器节点将各传感控制节点上采集的数据,通过串口发送到监控平台上,监控平台上采用图形用户界面来实现对各个传感控制节点的监测与控制。为了方便直观演示,用蜂鸣器模拟报警、用直流电机和数码管模拟空调,用步进电机模拟电动窗帘,用LED模块模拟室内照明系统。系统可以设定当环境监测数据值满足一定的阈值,选定的模拟设备会按照设定的条件工作。监控平台也可以主动发送指令来控制设备的运行,从而模拟出智能家居电器安防系统的常见应用场景。2系统硬件平台的搭建采用支持ZigBee无线通信技术的CC2530作为主、从节点的主芯片,并配合设计相关的开发板,主节点通过串口与PC机相连。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案[2],它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈(Z-Stack),提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。3系统软件实现本系统软件实现分为两大部分:无线数据节点的程序实现和数据监控平台软件的实现。3.1无线数据节点的程序实现无线数据节点的软件部分,采用常用的IARfor8051软件平台进行开发,其ZigBee协议栈采用Z-Stack2.4.0。Z-Stack是TI公司为CC2430/CC2530等ZigBee无线数据模块的开发提供的ZigBee协议栈。完整的ZigBee协议包括物理层、MAC层、网络层、安全服务层、应用层及高级应用层规范。IEEE802.15.4定义了最下面的两层:物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)[3]。ZigBee联盟提供了网络层、安全服务层和应用层(APL)框架的设计。在Z-Stack下,开发工作主要集中在应用层,无需涉及到网络层和MAC层。以下将简单介绍Z-Stack的主要工作流程、本系统中ZigBee网络的组建过程以及数据节点的软件设计。3.1.1Z-Stack的主要工作流程Z-Stack采用操作系统的思想来构建,采用事件轮循机制,当各层初始化之后,系统进入低功耗模式,当事件发生时,唤醒系统,开始进入中断处理事件,结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生,判断优先级,逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。整个Z-Stack的主要工作流程,大致分为系统启动,驱动初始化,OSAL初始化和启动,进入任务轮循几

参考文献

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