周鼎 曹以龍

摘 要：針對現(xiàn)有的智能家居操作系統(tǒng)復雜、移植性差、后期維護成本高等缺點，文中提出了一種基于AM3358內(nèi)核的BeagleBone Black、Web版微信、ZigBee無線組網(wǎng)技術的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由作為中央處理器的BBB、Web版微信登錄、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡以及各種可攜帶傳感器的終端組成。本系統(tǒng)完成了智能家居的硬件和軟件設計，內(nèi)網(wǎng)由CC2530和各類傳感器組建，外網(wǎng)采用Web微信登錄機制與內(nèi)網(wǎng)通信，完成通過協(xié)調(diào)器對各個終端數(shù)據(jù)的采集，并能通過Web版微信控制內(nèi)網(wǎng)節(jié)點的狀態(tài)。實驗結果表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，登錄Web版微信便可實現(xiàn)對家居電器設備的控制。

關鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee；智能家居；Web版微信

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-0-03

0 引 言

智能家居以住宅為平臺，利用先進的網(wǎng)絡通信技術將各種設備有機地結合在一起，實現(xiàn)家居自動一體化，為用戶提供高效便捷的家居環(huán)境。本設計以BBB作為上位機，外網(wǎng)采用微信個人登錄的方式對家居進行控制，內(nèi)網(wǎng)采用TI公司的CC2530芯片作為無線收發(fā)器。終端傳感器多次對用戶信息進行采集，通過BQ神經(jīng)網(wǎng)絡算法模擬出一種自適應用戶習性擬合數(shù)據(jù)，反饋至BeagleBlack Bone存儲，可以通過發(fā)送指令控制家居調(diào)整至用戶需要的設置，從而達到使家居滿足用戶需求的效果。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 內(nèi)網(wǎng)組建方式

一般來說，智能家居系統(tǒng)分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)是用于家庭內(nèi)部設備與網(wǎng)關通信的網(wǎng)絡。本文設計指的是各類傳感器與協(xié)調(diào)器及協(xié)調(diào)器與BBB之間的通信，無線智能家居內(nèi)網(wǎng)組建采用ZigBee無線通信方式，不僅功耗低，其成本相對于藍牙等其他無線技術更低。

1.2 外網(wǎng)的組建

外網(wǎng)是指BBB與以太網(wǎng)的通信，微信登錄發(fā)送指令與BBB組成的網(wǎng)絡?，F(xiàn)有的用于遠程監(jiān)控的平臺大部分采用微信公眾號或者商家自帶的App。Web版微信登錄方式不僅移植性強，而且相比于公眾號更方便、安全、快捷；相比于App控制，后期維護成本更低，且操作簡單。

1.3 總體結構設計

系統(tǒng)的總體設計由以下部分構成：Web版微信作為外網(wǎng)登錄獲取并控制內(nèi)網(wǎng)信息、BBB開發(fā)板作為中央處理器（相當于PC機）、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的ZigBee協(xié)調(diào)器以及連接著多個傳感器的終端設備。整體系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 智能家居系統(tǒng)硬件設計

2.1 BeagleBone Black處理器

系統(tǒng)的中央處理器是BeagleBone Black，通常稱為BBB，這是一塊面向Maker設計的嵌入式Linux開發(fā)板，內(nèi)部采用ARM Cortex-A系列核心的TI處理器。在本系統(tǒng)中，該處理器的作用類似“大腦”，負責數(shù)據(jù)處理、存儲數(shù)據(jù)、指令轉(zhuǎn)發(fā)等一系列工作。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器與終端設備設計

ZigBee 模塊是組建家庭內(nèi)網(wǎng)的基本單元。通過ZigBee協(xié)調(diào)器無線接收的各個終端數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給BBB，ZigBee終端設備則用于直接接收各類傳感器的信息并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。通過ZigBee模塊把家庭內(nèi)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee模塊芯片采用CC2530，通過ZigBee協(xié)議棧，為ZigBee通信提供一個完美的解決方案。終端與各類傳感器的連接如圖2所示。

2.3 電源模塊設計

本文設計一共需要兩種不同幅值的電壓輸入，分別是直流5 V和直流3.3 V。其中，5 V電壓是由手機電源適配器提供，3.3 V由5 V變換得到。系統(tǒng)中需要采用3.3 V電壓給ZigBee芯片、溫濕度傳感器、光敏傳感器模塊供電，沒有較大的電流需求，只要求電源電壓的紋波較低，故本系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓電源模塊，通過5 V電源降壓得到3.3 V電源。LM1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，它可以實現(xiàn)5 V到3.3 V電源的轉(zhuǎn)換。3.3V直流電源設計原理如圖3所示。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設計

本文設計采用BBB開發(fā)板，以Z-Stack作為網(wǎng)絡通信協(xié)議，微信作為外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的通信方式。

3.1 ZigBee組網(wǎng)

系統(tǒng)使用IAR systems公司的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，IAR Embedded Workbench 是一個用于編譯和調(diào)試嵌入式應用程序的集成開發(fā)環(huán)境， 支持 C/C++語言。系統(tǒng)使用TI公司的ZigBee協(xié)議棧， ZigBee協(xié)議棧運行在一個稱為OSAL（Operation system Abstraction Layer）的操作系統(tǒng)上，OSAL基于任務調(diào)度機制， 其工作原理為：將每個事件都設置一個事件號，根據(jù)事件號的優(yōu)先級，輪換查詢事件是否被觸發(fā)，當事件被觸發(fā)，調(diào)用相應的任務處理程序。在ZigBee網(wǎng)絡中有三種設備類型，即Coordinator（協(xié)調(diào)器），Router（路由），End-Device（終端）。ZigBee網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器、多個路由和多個終端組成，將相應的程序燒錄到不同的設備上，上電后自動組網(wǎng)。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

協(xié)調(diào)器和終端設備在組網(wǎng)時會自動分配給各個節(jié)點一個16位的MAC地址，協(xié)調(diào)器發(fā)送命令數(shù)據(jù)采用點播的方式在外網(wǎng)Web版微信登錄后，發(fā)送一個指令，BBB接收后通過串口的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，之后再轉(zhuǎn)發(fā)給相應的終端設備。協(xié)調(diào)器的工作原理流程如圖4所示。

3.3 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點用于收集各類傳感器的數(shù)據(jù)，當協(xié)調(diào)器下達命令時，通過終端節(jié)點將指令轉(zhuǎn)發(fā)至相應的傳感器，從而達到控制家庭設備的目的。終端節(jié)點使用一塊電池供電，其工作流程如圖5所示。

3.4 Web版微信登錄原理

由于本文外網(wǎng)設計是通過 Web版微信登錄控制內(nèi)網(wǎng)的設備，所以Web版微信登錄機制也是軟件設計的重要部分。當用戶請求登錄Web版微信時，微信服務器返回一個會話ID，生成一個隨機的二維碼，通過掃描二維碼來標識當前的登錄，微信服務器輪回查詢用戶手機端是否已經(jīng)掃描二維碼并確認在Web端登錄。微信服務器訪問登錄地址并獲取uin、sid、pass_ticket、skey，在后續(xù)通信的過程中都會使用到這幾個值。登錄完成后，服務器通過返回給用戶的會話ID對用戶進行微信好友以及公眾號的信息同步，不斷查詢是否有消息接收。當接受到一個消息之后，在數(shù)據(jù)庫里查詢是否有相關的指令回復，并向發(fā)消息的用戶回復相應節(jié)點的信息。Web版微信登錄具體流程如圖6所示。

4 智能家居系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能測試

外網(wǎng)登錄Web版微信后，就可以與內(nèi)網(wǎng)通信。

圖7所示為當發(fā)送一個字符時，系統(tǒng)做出回應，默認“.”為起始指令，用戶發(fā)送”.”，查看是否登錄成功。

“.all initial”指令用來初始化內(nèi)網(wǎng)信息，命令協(xié)調(diào)器更新網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)量，如圖8所示。

“.all status”命令用以查詢各個節(jié)點的狀態(tài)，返回各個終端節(jié)點包含的傳感器的信息，如圖9所示。

圖10所示為終端節(jié)點重命名功能圖，用于對終端節(jié)點的重命名，重命名成功后返回成功信息。

通過微信端發(fā)送的指令，可以人為地改變設備的狀態(tài)，待后臺回復消息后，更新設備狀態(tài)，同時也可以查詢各終端節(jié)點的信息，如圖11所示。

輸入相應的節(jié)點名字與設備名稱，返回該傳感器測量到的數(shù)值，如圖12所示。

5 結 語

本文主要對現(xiàn)存的智能家居系統(tǒng)進行了細節(jié)展示，搭建了一個微型的智能家居平臺，并且運用外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的連接達成了用戶對家居的總體控制。通過實驗結果可知，所設計系統(tǒng)穩(wěn)定，各傳感器工作正常，并且能順利實現(xiàn)用戶命令的效果。同時，使用Web版微信登錄方式，不僅移植性強，相比于公眾號也更方便、安全、快捷，具有較好的實用價值。

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