CN102158376A - 一种无线智能家居安防系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线智能家居安防系统，其特征在于，包括ARM处理器，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，以及移动通讯终端；ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块和触摸控制屏相连接；移动通讯模块与移动通讯终端之间通过移动通信网络发送数据，ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块之间通过ZigBee协议无线发送数据。这样系统的控制包括远程控制以及本地控制两种方式。系统通过手机及其他智能终端实现对主控系统的远程控制；通过触摸控制屏操作人机界面或遥控器，直接对系统进行控制的本地控制，实现家居控制的无线化、智能化、安全化和整合化。

Description

一种无线智能家居安防系统及其控制方法

技术领域

本发明属于智能家居技术领域，涉及一种无线智能家居安防系统，特别涉及一种基于ZigBee网络和移动通信网络的无线智能家居安防系统及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展及人们生活水平的不断提高，居住环境的改善备受关注，家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利的需求越来越受到开发商的重视。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的智能化控制系统，该系统可满足并实现高效、舒适、安全、便利、环保的人文居住环境。

目前，国外关于智能家居系统的研究主要集中在家电智能控制领域，如对空调、冰箱、电视等家用电器实现智能控制，采用的技术主要是互联网接入以及控制终端方式，系统的复杂度高、扩展性差，而且费用也较高。对于不同家庭用户来讲，没有真正意义上实现智能家庭控制中心，所以很难被广大消费者所接受。

而国内的一些制造商所开发的智能家居产品，主要是将传统的烟、火、气等传感器通过有线级联，并且通过红外万能遥控器对家电实现控制。这样就存在以下问题：对于已经建成的楼宇，因为要布线，所以系统安装比较困难；系统接口复杂，简单的系统设置与配置需要专业人员才能维护；缺乏友好的人机交互，操作复杂。所以，无线智能家居安防系统必将成为未来的主流产品。

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4协议的短距离、低功耗、开放式的无线个人局域网(Wireless Personal Area Networks)通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种无线智能家居安防系统及其控制方法，实现家居控制的无线化、智能化、安全化和整合化。

一种无线智能家居安防系统，包括ARM处理器，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，以及移动通讯终端；ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块和触摸控制屏相连接；移动通讯模块与移动通讯终端之间通过移动通信网络发送数据，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。

所述的ARM处理器为Micro2440核心板，移动通讯模块为GSM/CDMA模块，ZigBee中心收发模块为CC2530无线收发芯片，Micro2440核心板与GSM/CDMA模块和CC2530无线收发芯片之间使用串口通信。

所述的控制电路模块为控制板电路模块，接收ZigBee节点模块发送的驱动信号，或者接收被控设备的触发信号，并将其传递给ZigBee节点模块；所述的被控设备为烟感报警器、红外报警器、温度传感器、湿度传感器或电子门锁。

所述的电路模块为由多路可控硅组成的电压调理电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过调压方式控制被控设备；所述的被控设备为灯光亮度调节器或中央空调。

所述的电路模块为继电器控制电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过对继电器组合逻辑的控制实现对被控设备的控制；所述的被控设备为电动窗帘、电动车库门、太阳能热水器或游泳池进水/排水开关。

所述的无线智能家居安防系统，还包括由ZigBee模块和按键组合板构成的遥控器，通过切换无线通道和发射指令控制被控设备；遥控器还通过按键组合键进行密码加密。

上述无线智能家居安防系统的控制方法，包括以下步骤：

1)建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由：

ZigBee网络以广播的方式通知上电的ZigBee节点模块初始化，侦听到ZigBee网络的数据帧之后，ZigBee节点模块产生一个0～256的随机数，这个随机数与时延基数相乘得出本节点的时延；每个ZigBee节点模块等待随机时延后，用64位IEEE扩展地址作为节点号，发出入网请求；ZigBee网络收到请求后分配给该ZigBee节点模块一个16bit的网内节点号，并在地址表中记录该传感器节点的相关信息，进行设备关联；

若ZigBee节点模块发送入网请求后一分钟内没有得到回应，则重新产生一个随机时延再次向ZigBee网络发送入网请求，ZigBee网络完成所有上电的ZigBee节点模块初始状态的采集，则系统初始化完成，建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由；

2)路由建立之后，ZigBee中心收发模块一方面要采集ZigBee节点模块的收集到的家庭监控信息，并把该信息发送给ARM处理器，另一方面要接收ARM处理器的指令，并传送给ZigBee节点模块；同时ZigBee中心收发模块对ZigBee节点模块设定检测阈值、采集ZigBee节点模块的电量，并记录ZigBee节点模块的工作状态；

ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块发送的数据时，读取数据后，通过ARM处理器解析数据，并进行系统处理；

ZigBee中心收发模块向ZigBee节点模块发送数据时，将欲发送的数据进行打包，然后通过路由向ZigBee节点发送数据；ZigBee节点模块收到数据之后，通过电路模块实现对被控设备的控制；

3)ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块之间通过串口通信，当用户通过人机控制界面操作或手机远程发出指令后，ARM处理器将用户的操作指令发送给ZigBee中心收发模块；或者ZigBee中心收发模块将ZigBee节点收发模块发送的报警信号发送给ARM处理器，ARM处理器按照预置的报警电话号码，通知移动通讯模块发送报警短信或者拨打报警电话。

当ZigBee中心收发模块发现ZigBee节点模块上传的数据出现明显错误时，通过ZigBee中心收发模块关闭该节点并重新启动。

路由形成后新的ZigBee节点模块的接入时，ZigBee网络首先判断该节点是否在地址表中，如果该节点不在网络中并且网络中的ZigBee节点模块数没有超过网络容量，则ZigBee中心收发模块记录该节点的初始信息，并分配一个唯一的节点号给该节点；新的ZigBee节点模块的入网请求在规定时间内没有得到回应，则等待随机时延后重新发送入网请求。

路由形成后ZigBee节点模块发起拆除时，ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块拆除请求后，修改地址表中该节点的信息，回收节点号，并通知该节点拆除操作成功。

路由形成后，若ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块三次通信都不成功，家庭网关将拆除该节点；若该节点向ZigBee中心收发模块关发送三次请求都没有得到回应，则该节点需重新发送入网请求，以获得新的网络节点号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明通过ZigBee网络将多种家居设备、报警传感器或家用电器通过无线传送技术，实现家居中电、水、气、热、光、声、火和盗等进行有效的控制，也可以被动接收烟雾探测器和煤气探测器等发出的数据，实现对家居的无线化网络控制，并且将该网络集中由与中心控制模块连接的ZigBee中心收发模块控制，具体的被控设备通过ZigBee协议路由串联ZigBee节点模块来控制。避免了有线级联连接被控设备，所带来的布线、系统连接及其维护等诸多麻烦与缺陷。

同时，将中心控制模块与移动通讯模块相连接，经由移动通信网络(不受距离限制)，实现家庭监测报警信息的远端的传输和报警，在第一时间通知业主或小区物业；以及远端的控制信息经的反馈，通过中心控制模块和ZigBee网络实现被控设备的启动，比如电动窗帘、电动车库门、太阳能热水器或游泳池进水/排水开关。

2、本发明通过ZigBee网络实现对家居控制的智能化，即可以通过控制主机的控制面板来控制，也可以由遥控器来控制，实现对家居设备、家用电器的便捷控制。而且当与各种报警传感器连接的节点模块收到触发信号之后，会及时传递给网络并引发报警，并将报警信息经由移动通讯系统实现远端报警，而且，在接到报警信号后，远端控制能够发送指令进行一定的处理，比如切断电源开关或打开窗户，实现家居安全的智能化控制。

3、实现家居环境的多节点控制、网络化控制，由于ZigBee网络具有自组织功能，当网络拓扑发生变化时，ZigBee中心收发模块能够发现这种变化并修改地址表信息，并分配一个唯一的节点号给该节点，完成ZigBee节点模块的接入和拆除。

ZigBee中心收发模块对ZigBee节点模块的控制包括节点的设置(参数设置)、节点操作(控制相应的传感器节点，譬如进行灯光场景的配置、报警的撤防)和节点重启(发现该节点出错后关闭再重新启动)。

附图说明

图1为无线智能家居安防系统的连接示意图；

图2为无线智能家居安防系统的系统运行图；

图3为ARM处理器与ZigBee中心收发模块的连接示意图；

图4为ZigBee节点模块与控制电路模块的连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体的附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、图2，一种无线智能家居安防系统，包括ARM处理器，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，以及移动通讯终端；ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块和触摸控制屏相连接；移动通讯模块与移动通讯终端之间通过移动通信网络发送数据，ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块之间通过ZigBee协议无线发送数据。

具体的ARM处理器采用Micro2440核心板：Micro2440核心板是一个双层电路底板，核心板采用6层板设计的开发板，其提供的大量外围设备接口，为这些硬件系统的设计带来极大的便利。Micro2440核心板最基本的系统配置：CPU：SAMSUNG S3C2440，运行于400Mhz；NOR FLASH：2M；NANDFLASH：256M；SDRAM：64M，由2片16-bit宽度的32M SDRAM组成；O S：可支持Linux/Wince/Andriod。

移动通讯模块为GSM/CDMA模块，支持GSM/GPRS 900/1800/1900MHz无线网络，远程控制及报警不受距离限制；支持GSM/CDMA/3G手机，兼容中/英文短消息报警功能；支持36组注册手机号码，可向指定用户及110短信报警平台报警。

ZigBee中心收发模块为CC2530无线收发芯片，是一款兼容2.4GHz 1EEE802.15.4的无线收发芯片，它使用CMOS工艺生产，具有很高的集成度；该芯片体积小，功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化，工业监控等应用系统。

ZigBee节点形成的网状结构能够提供高程度的可靠性。它由许多各种各样的节点组成复杂的网状结构，节点间可以互相通信，信息可以通过不同的路径达到指定节点，当某条路径被干扰时，信息还可以通过其他可用的路径进行传输。

Micro2440核心板与GSM/CDMA模块和CC2530无线收发芯片之间使用串口通信。参见图3，Rx为数据接收，Tx为数据发送，GND为信号地。

触摸控制屏采用群创AT070N92液晶屏，分辨率：800RGB(H)×480(V)，对比度：500∶1，亮度：250cd/m2，接口类型：单50PIN Digital(TTL)，背光：LEDs，响应时间：30ms，工作温度：-20℃～80℃。

无线智能家居安防系统，还包括由ZigBee模块和按键组合板构成的遥控器，通过切换无线通道和发射指令控制被控设备；遥控器还通过按键组合键进行密码加密。

这样系统的控制包括远程控制以及本地控制两种方式。系统通过手机及其他智能终端实现对主控系统的远程控制；通过触摸控制屏操作人机界面或遥控器，直接对系统进行控制的本地控制。

ZigBee节点模块和控制电路模块是实现家居监测的最小单元，参见图4所示的连接示意图，传感器采集信号后，通过A/D电路转换，将信号送给ARM处理单元，ARM处理单元将控制指令发送给被控设备，被控设备按照指令执行动作机构，而所有的传感节点通过ZigBee模块进行无线数据转发。如温度传感器检测到温度高于中央空调设定的温度时，ARM处理器给中央空调控制器发送风机停止转动指令，若温度传感器检测到温度低于中央空调设定的温度时，ARM处理器给中央空调控制器发送风机启动指令。

ZigBee节点模块和控制电路模块的连接分为三种：

其一，采用ZigBee模块+控制板方式，控制电路模块为控制板电路模块，接收ZigBee节点模块发送的驱动信号，或者接收被控设备的触发信号，并将其传递给ZigBee节点模块。如烟感报警器、红外报警器、温度传感器、湿度传感器和电子门锁等均采用该种方式。

其二，采用ZigBee模块+调理板方式，电路模块为由多路可控硅组成的电压调理电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过调压方式控制被控设备。如灯光亮度调节器，以调整灯(节能灯或者LED灯)的亮度，或者为中央空调，用于调整空调的送风强度等。

其三，采用ZigBee模块+继电器板方式，所述的电路模块为继电器控制电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过对继电器组合逻辑的控制实现对被控设备的控制。如电动窗帘、电动车库门、太阳能热水器、游泳池进水/排水/加温控制。

参见图2，上述无线智能家居安防系统的控制方法，主要包括ZigBee网络的组件与控制，以及信息的处理与反馈；具体包括以下步骤：

1)建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由：

ZigBee网络以广播的方式通知上电的ZigBee节点模块初始化，侦听到ZigBee网络的数据帧之后，ZigBee节点模块产生一个0～256的随机数，这个随机数与时延基数相乘得出本节点的时延；每个ZigBee节点模块等待随机时延后，用64位IEEE扩展地址作为节点号，发出入网请求；ZigBee网络收到请求后分配给该ZigBee节点模块一个16bit的网内节点号，并在地址表中记录该传感器节点的相关信息，进行设备关联；

若ZigBee节点模块发送入网请求后一分钟内没有得到回应，则重新产生一个随机时延再次向ZigBee网络发送入网请求，ZigBee网络完成所有上电的ZigBee节点模块初始状态的采集，则系统初始化完成，建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由；

2)路由建立之后，ZigBee中心收发模块一方面要采集ZigBee节点模块的收集到的家庭监控信息，并把该信息发送给ARM处理器，另一方面要接收ARM处理器的指令，并传送给ZigBee节点模块；同时ZigBee中心收发模块对ZigBee节点模块设定检测阈值、采集ZigBee节点模块的电量，并记录ZigBee节点模块的工作状态；

ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块发送的数据时，读取数据后，通过ARM处理器解析数据，并进行系统处理；

ZigBee中心收发模块向ZigBee节点模块发送数据时，将欲发送的数据进行打包，然后通过路由向ZigBee节点发送数据；ZigBee节点模块收到数据之后，通过电路模块实现对被控设备的控制；

3)ARM处理器与移动通讯模块和ZigBee中心收发模块之间通过串口通信，当用户通过人机控制界面操作或手机远程发出指令后，ARM处理器将用户的操作指令发送给ZigBee中心收发模块；或者ZigBee中心收发模块将ZigBee节点收发模块发送的报警信号发送给ARM处理器，ARM处理器按照用户预置报警电话号码，通知移动通讯模块发送报警短信或者拨打报警电话。

ZigBee网络的组建主要处理包括上述步骤1)的系统初始化，步骤2)的节点通信外，还包括网络拓扑更新，也即ZigBee节点模块的接入和拆除：

路由形成后新的ZigBee节点模块的接入时，ZigBee网络首先判断该节点是否在地址表中，如果该节点不在网络中并且网络中的ZigBee节点模块数没有超过网络容量，则ZigBee中心收发模块记录该节点的初始信息，并分配一个唯一的节点号给该节点；新的ZigBee节点模块的入网请求在规定时间内没有得到回应，则等待随机时延后重新发送入网请求。

路由形成后ZigBee节点模块发起拆除时，ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块拆除请求后，修改地址表中该节点的信息，回收节点号，并通知该节点拆除操作成功。

路由形成后，若ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块三次通信都不成功，家庭网关将拆除该节点；若该节点向ZigBee中心收发模块关发送三次请求都没有得到回应，则该节点需重新发送入网请求，以获得新的网络节点号。

在运行过程中，当ZigBee中心收发模块发现ZigBee节点模块上传的数据出现明显错误时，通过ZigBee中心收发模块关闭该节点并重新启动。此外，还需要注意的两个问题。首先，ZigBee节点模块电池电量的监测是个重要的问题。如果传感器电量过低，它可能输出错误的信息，家庭网关不能发现这种情况，则不能保证采集的数据的正确性。因此，家庭网关必须要监测传感器节点的电量，发现节点电量低时应发出相应的警报并拆除该节点。其次，为了降低传感器节点的功耗，当没有数据通信时，节点处于等待或休眠等低功耗模式。家庭网关应该记录该节点的状态，并以适当的方式唤醒传感器节点。

以下两个具体的控制来做具体的说明：

在远端的手机用户通过移动通信网络和移动通讯模块发出开门的指令，ARM处理器将远程的控制指令加密编码后，通过ZigBee中心收发模块发给门锁的ZigBee节点模块，门锁的ZigBee节点模块接收后，进行解码和编码解析，给电路模块(继电器控制电路模块)发送开门动作指令，从而控制门锁驱动电机工作，执行开门动作。

烟感报警器在检测烟雾浓度超标后，产生报警触发脉冲，该报警信号通过ZigBee模块发送给主控机ZigBee中心收发模块，ZigBee中心收发模块再转发给ARM处理器，ARM处理器启动蜂鸣器报警，同时ARM处理器按照用户预置报警电话号码，通知移动通讯模块发送报警短信或者拨打报警电话。

Claims (10)

1.一种无线智能家居安防系统，其特征在于，包括ARM处理器，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，以及移动通讯终端；ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块和触摸控制屏相连接；移动通讯模块与移动通讯终端之间通过移动通信网络发送数据，ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块之间通过ZigBee协议无线发送数据。

2.如权利要求1所述的无线智能家居安防系统，其特征在于，所述的ARM处理器为Micro2440核心板，移动通讯模块为GSM/CDMA模块，ZigBee中心收发模块为CC2530无线收发芯片，Micro2440核心板与GSM/CDMA模块、CC2530无线收发芯片之间使用串口通信。

3.如权利要求1所述的无线智能家居安防系统，其特征在于，所述的控制电路模块为控制板电路模块，接收ZigBee节点模块发送的驱动信号，或者接收被控设备的触发信号，并将其传递给ZigBee节点模块；所述的被控设备为烟感报警器、红外报警器、温度传感器、湿度传感器或电子门锁。

4.如权利要求1所述的无线智能家居安防系统，其特征在于，所述的电路模块为由多路可控硅组成的电压调理电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过调压方式控制被控设备；所述的被控设备为灯光亮度调节器或中央空调。

5.如权利要求1所述的无线智能家居安防系统，其特征在于，所述的电路模块为继电器控制电路模块，在接受到ZigBee节点模块发送的驱动信号之后，通过对继电器组合逻辑的控制实现对被控设备的控制；所述的被控设备为电动窗帘、电动车库门、太阳能热水器或游泳池进水/排水开关。

6.如权利要求1所述的无线智能家居安防系统，其特征在于，还包括由ZigBee模块和按键组合板构成的遥控器，通过切换无线通道和发射指令控制被控设备；遥控器还通过按键组合键进行密码加密。

7.权利要求1所述的无线智能家居安防系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由：

ZigBee网络以广播的方式通知上电的ZigBee节点模块初始化，侦听到ZigBee网络的数据帧之后，ZigBee节点模块产生一个0～256的随机数，这个随机数与时延基数相乘得出本节点的时延；每个ZigBee节点模块等待随机时延后，用64位IEEE扩展地址作为节点号，发出入网请求；ZigBee网络收到请求后分配给该ZigBee节点模块一个16bit的网内节点号，并在地址表中记录该传感器节点的相关信息，进行设备关联；

若ZigBee节点模块发送入网请求后一分钟内没有得到回应，则重新产生一个随机时延再次向ZigBee网络发送入网请求，ZigBee网络完成所有上电的ZigBee节点模块初始状态的采集，则系统初始化完成，建立ZigBee中心收发模块到所有ZigBee节点模块的路由；

2)路由建立之后，ZigBee中心收发模块一方面要采集ZigBee节点模块的收集到的家庭监控信息，并把该信息发送给ARM处理器，另一方面要接收ARM处理器的指令，并传送给ZigBee节点模块；同时ZigBee中心收发模块对ZigBee节点模块设定检测阈值、采集ZigBee节点模块的电量，并记录ZigBee节点模块的工作状态；

ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块发送的数据时，读取数据后，通过ARM处理器解析数据，并进行系统处理；

ZigBee中心收发模块向ZigBee节点模块发送数据时，将欲发送的数据进行打包，然后通过路由向ZigBee节点发送数据；ZigBee节点模块收到数据之后，通过电路模块实现对被控设备的控制；

3)ARM处理器与移动通讯模块、ZigBee中心收发模块之间通过串口通信，当用户通过人机控制界面操作或手机远程发出指令后，ARM处理器将用户的操作指令发送给ZigBee中心收发模块；或者ZigBee中心收发模块将ZigBee节点收发模块发送的报警信号发送给ARM处理器，ARM处理器按照预置的报警电话号码，通知移动通讯模块发送报警短信或者拨打报警电话。

8.如权利要求7所述的无线智能家居安防系统的控制方法，其特征在于，当ZigBee中心收发模块发现ZigBee节点模块上传的数据出现明显错误时，通过ZigBee中心收发模块关闭该节点并重新启动。

9.如权利要求7所述的无线智能家居安防系统的控制方法，其特征在于，路由形成后新的ZigBee节点模块的接入时，ZigBee网络首先判断该节点是否在地址表中，如果该节点不在网络中并且网络中的ZigBee节点模块数没有超过网络容量，则ZigBee中心收发模块记录该节点的初始信息，并分配一个唯一的节点号给该节点；新的ZigBee节点模块的入网请求在规定时间内没有得到回应，则等待随机时延后重新发送入网请求。

10.如权利要求7所述的无线智能家居安防系统的控制方法，其特征在于，路由形成后ZigBee节点模块发起拆除时，ZigBee中心收发模块收到ZigBee节点模块拆除请求后，修改地址表中该节点的信息，回收节点号，并通知该节点拆除操作成功；

路由形成后，若ZigBee中心收发模块与ZigBee节点模块三次通信都不成功，家庭网关将拆除该节点；若该节点向ZigBee中心收发模块关发送三次请求都没有得到回应，则该节点需重新发送入网请求，以获得新的网络节点号。

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