CN102789218A - 一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统，包括智能家居网关、监控节点和四种控制器。智能家居网关安装以太网控制器、红外接收器、Zigbee协调器和视频监控模块，并通过Zigbee与监控节点通信；监控节点进行人员入侵监控、煤气火险报警、温度湿度监测和灯光家电控制；四种控制器通过Zigbee、红外线和以太网与智能家居网关相连，分别实现手势控制、语音控制、红外遥控和远程控制。本发明具有控制方式多样，便于定制与升级等优点。

Description

一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统

技术领域

本发明属智能家居控制领域，尤其涉及一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统。

背景技术

智能家居系统是一种以住宅为平台，结合通讯技术、自动化技术等技术手段的智能化家居环境。智能家居系统能够为用户提供安防监测、远程控制、多媒体娱乐等诸多服务。传统的智能家居系统存在布线复杂、定制困难等问题，将无线通讯技术运用于智能家居系统已成为趋势，而Zigbee技术作为一种短距离、低速率、低功耗的无线通讯技术，非常适合智能家居系统中的小数据量传输。

中国专利申请号为201020104269.1，名称为《一种基于Zigbee技术的智能家居系统》的文献公开了一种Zigbee智能家居系统，包括家居控制中心、手持控制器、中继控制模块和基于Zigbee技术的控制模块。该专利的家居控制中心是一个基于ARM9的嵌入式控制平台，不具有视频监控功能，并且人机交互界面不够友好；同时，该专利的手持控制器为手持红外遥控器，控制形式单一，缺乏个性，无法定制。

中国专利申请号为201120218940.X，名为《结合视频通道的智能家居语音控制系统》的文献公开了一种语音控制系统，包括手势检测模块、人脸检测模块、识别系统模块等，该系统利用语音识别模块实现语音控制，并利用高速摄像捕捉手势、唇语，提高识别精度，但该系统算法复杂，成本高昂。

发明内容

本发明解决了基于Zigbee的智能家居系统控制手段单一，定制困难，价格高昂等问题，公开一种成本低、灵活性高的智能家居系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统，包括智能家居网关、监控节点和四种控制器。智能家居网关安装以太网控制器、红外接收器、Zigbee协调器和视频监控模块，并通过Zigbee与监控节点通信；监控节点设有入侵监控装置、煤气火险报警装置、温度湿度监测装置和灯光家电控制装置，进行人员入侵监控、煤气火险报警、温度湿度监测和灯光家电控制；四种控制器分别是手势控制器、语音控制器、红外遥控器和远程控制端，其通过Zigbee、红外线和以太网与智能家居网关相连。

Zigbee通讯模块可以采用具有处理器内核的Zigbee模块，如Zigbee通讯模块为JN5148，效果更佳。

智能家居网关包括最小系统和外围功能模块。所述最小系统由ARM处理器、复位电路、UART串行接口、Flash存储器和电源模块构成，用于控制外围功能模块和存储数据。所述外围功能模块包括以太网控制模块、视频采集模块、Zigbee通讯模块和红外接收器：以太网控制模块通过并行接口与最小系统连接，提供智能家居的以太网接口，用于传输控制指令和视频数据；视频采集模块通过并行接口与最小体系连接，用于采集图像和视频信息；Zigbee模块是Zigbee星型网络的协调器，通过SPI接口与最小系统连接，用于智能家居网关和监控节点的通讯；红外接收器输出脉冲信号，经PWM脉宽解调被最小系统接收。

监控节点以Zigbee模块作为处理器和Zigbee收发器，结合传感器和执行器，实现监控任务。监控节点按功能分为人员入侵监控节点、煤气火险报警节点、温湿度监测节点和灯光家电控制节点：人员入侵监控节点包含用于提高灵敏度的菲涅尔透镜、用于监测人体红外线的PIR探头和用于处理报警信号的处理电路；煤气火险报警节点既包含用于监测煤气泄漏的气敏传感器，又包含用于监测火灾的烟雾传感器；温湿度监测节点采用数字式温湿度传感器；灯光家电控制节点利用Zigbee模块的IO口控制继电器和场效应管，实现灯光和家电的开关控制。

四种控制器为手势控制器、语音控制器、红外遥控器和远程控制端。

手势控制器采用MEMS数字式加速度传感器，具有戒指式和手套式两种穿戴方案，通过判断右手食指和中指的加速度阈值，实现简单的手势识别。手势控制器可将加速度传感器佩戴于右手食指和中指的第三节处，也可将其佩戴于其他手指。手势控制器可安装多枚加速度传感器，从而提高可识别手势的复杂度；加速度传感器既可以是二轴加速度传感器，也可以是三轴加速度传感器。

语音控制器采用非特定人语音识别模块，通过预先录入语音指令的汉语拼音，实现语音控制。语音控制器由麦克风、放大器、AD转换器和Zigbee模块构成。通过调节放大器的增益系数，可改变语音识别的灵敏度和抗干扰性。

红外遥控器用于家电的手持遥控器控制。

远程控制端是一台运行监控软件的个人计算机，用于显示和记录系统信息，同时实现系统定制与升级。远程控制端能够实现用户密码验证、室内信息显示、控制器指令映射、自动控制方案模拟、记录系统日志和发送报警信息等服务。其中，控制指令映射包括经典指令表映射和用户自定义指令映射，便于用户个性化定制。

自动控制方案模拟能够模拟用户在室内时的灯光家电运行情况；发送报警信息包括文字信息和视频采集模块的录像信息。自动控制方案模拟能够根据系统日志，模拟用户在室内时的灯光家电运行状况，当用户外出时，可将系统设置为室外模式，用于迷惑盗贼，降低房屋被盗几率。

本发明的有益效果是控制方式灵活，成本低廉，使用方便，易于定制。同时，可以远程模拟灯光家电运行状况，提高了家居安全性。

附图说明

图1是基于多控制器的Zigbee智能家居系统结构示意图。

图2是该系统的智能家居网关结构示意图。

图3是该系统的监控节点结构示意图。

图4a是该系统的手势识别中戒指式佩戴示意图。

图4b是该系统的手势识别中手套式佩戴示意图。

图5是该系统的手势控制器手势示例。

图6是该系统的语音控制器结构示意图。

图7是该系统的远程控制端功能示意图。

图中：1承载加速度传感器的戒指；2加速度传感器；3Zigbee通讯模块；

4右手手套；5右手手掌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

（1）首先，详细阐述系统构成。如图1所示，所述基于多控制器的Zigbee智能家居系统包括监控节点、智能家居网关和四种控制器。所述监控节点按功能分为人员入侵监控节点、煤气火险报警节点、温度湿度监测节点和灯光家电控制节点。这些监控节点与所述智能家居网关组成Zigbee星型网络，通过Zigbee通讯技术将监测信息汇总到智能家居网关。所述智能家居网关是星型网络的汇聚节点，安装Zigbee协调器、以太网控制器、红外接收器和视频监控模块。所述四种控制器为红外遥控器、手势控制器、语音控制器和远程控制端：红外遥控器是手持遥控器，通过红外线控制网关节点；手势控制器基于加速度传感器，具有戒指式和手套式两种佩戴方式，通过Zigbee技术与网关节点通讯；语音控制器基于语音识别DSP，能够识别非特定人语音，所述语音控制器和所述手势控制器都是Zigbee星形网络中的终端节点；远程控制端是一台安装监控软件的个人计算机，通过以太网连接智能家居网关。

（2）结合实例，阐述所述智能家居网关的构成和实现原理。如图2所示，所述智能家居网关包括最小系统、以太网控制模块、视频采集模块、Zigbee通讯模块和红外信号接收器。

所述最小系统采用ARM处理器LPC1768，ARM处理器外围扩展Flash存储器K9F1G08U0M、UART接口芯片MAX3232EUA、复位芯片MAX708SE和电源模块。所述Flash存储器用于存储Zigbee网络的采集数据和视频采集模块的视频数据。所述UART接口芯片进行RS232电平转换，提供所述最小系统的调试接口。所述复位芯片MAX708SE提供稳定的按键复位和上电复位功能。所述电源模块采用12V-5V-3.3V的二级降压模式，为所述最小系统和外围功能模块供电。

所述以太网控制模块包括网络控制芯片、网络变压器和RJ45插座。所述网络控制芯片为硬件集成TCP/IP协议的控制芯片W5100，该芯片具有SPI接口、直接并口和间接并口三种接口模式，在所述智能家居网关中，以太网控制模块采用直接并口和最小系统连接，如图2所示；所述网络变压器起滤波、阻抗匹配和隔离保护的作用；所述RJ45插座用于连接网线（即水晶头网线）。

所述Zigbee协调器用于下发Zigbee控制命令和上传Zigbee采集数据，本系统的Zigbee协调器是内置处理器的Zigbee通讯模块JN5148。如图2所示，所述最小系统通过SPI接口控制Zigbee通讯模块。

所述视频采集模块包括图像传感器、FIFO缓冲器和降压芯片。所述图像传感器输出分辨率可调的图像，所述FIFO用于存储一帧图像数据，所述降压芯片为图像传感器提供1.8V电压。如图2所示，所述视频采集模块通过并行接口连接最小系统的DMA通道，保证视频数据的流畅传输。

所述红外信号接收器为红外光电二极管。所述红外遥控器发出红外脉冲，当红外信号接收器接收到红外脉冲时，输出脉宽变化的电压信号，通过PWM脉宽检测，处理器识别不同的遥控指令，如图2所示。

（3）结合实例，阐述所述监控节点的构成和实现原理。如图3所示，所述监控节点以Zigbee模块JN5148为核心，JN5148既作为Zigbee网络的终端节点，又作为监控节点的处理器。根据监控功能，所述监控节点分为人员入侵监控节点、煤气火险报警节点、温度湿度监测节点和灯光家电控制节点。

所述人员入侵监控节点包括菲涅尔透镜、PIR探头、处理电路和Zigbee模块。菲涅尔透镜将感应区划分为敏感区和非敏感区，提高传感器的灵敏度；PIR探头感应人体发出的红外线，输出脉冲信号；处理电路将所述脉冲信号变换为电压信号；Zigbee模块采集所述电压信号，进行报警。

所述煤气火险报警节点包括气敏传感器、烟雾传感器、比较器、处理电路和Zigbee模块。气敏传感器对CO、CH₄等气体敏感，和比较器构成煤气泄漏监测电路；烟雾传感器对燃烧产生的烟雾敏感，和处理电路构成火险监测电路；Zigbee模块采集所述两种电路的报警信号，并向所述远程控制端发起报警。

所述温度湿度监测节点采用数字式温度传感器SHT11，所述温度湿度传感器通过I2C接口与Zigbee模块连接。

所述灯光家电控制节点包括Zigbee模块、接口扩展器、继电器和场效应管。所述接口扩展器是I2C接口的IO模拟器PCA9555，Zigbee模块通过I2C接口控制所述接口扩展器模拟16位的IO口；所述IO口控制继电器或场效应管，实现灯光和家电的开关控制。

（4）结合实例，阐述四种控制器的实现方法。所述四种控制器为红外遥控器、手势控制器、语音控制器和远程控制端。

所述红外遥控器包括按键、脉冲发生器和红外发光二级管。当用户按下遥控器的一个按键，脉冲发生器产生一个特定频率的脉冲电压，红外发光二级管收到电压激励后，发射特定频率的红外线。

所述手势控制器包括MEMS数字式加速度传感器MXC6202和Zigbee模块JN5148。如图4所示，在实施例中，所述手势控制器将两枚加速度传感器2分别佩戴在右手5的食指和中指第三关节处，但对加速度传感器的数量和佩戴位置没有限定。加速度传感器可以是二轴加速度计也可以是三轴加速度计。手势控制器具有戒指式佩戴方式和手套式佩戴方式：在戒指式佩戴方式中，两枚加速度传感器2分别镶入两枚戒指1，并通过I2C总线连接Zigbee模块3；在手套佩戴方式中，两枚加速度传感器2分别装入手套4的食指和中指指套部分，Zigbee模块3也被安装在手套4的手背部分。

如图4所示，对所述手势控制器而言，平行于地面垂直于手臂的方向为X轴，平行于地面平行于手臂的方向为Y轴，所述加速度传感器2分别采集食指和中指的X、Y轴共四个加速度值，根据所述四个加速度值的改变识别人的手势。在本是实施例中，手势控制器能够识别如图5所示的八种手势：双指左挥、双指右挥、双指下挥、双指上扬、单指左挥、单指右挥、单指上扬和右手握拳。但是在本发明中，改变加速度传感器的数量和加速度传感器的型号，所述手势控制器能够识别更多的手势。

所述语音控制器包括麦克风、放大器、AD转换器、语音识别DSP和Zigbee模块，如图6所示。在本实施例中，所述语音识别DSP为LD3320，能够识别50条汉语普通话指令；所述放大器能够调节放大增益，当增益较高时，语音识别距离较远，但抗干扰性能差，当增益较低时，语音识别距离较短，所述控制器需要摆放在距用户较近的位置。

所述远程控制端为一台运行监控软件的个人计算机。如图7所示，所述远程控制端能够实现用户密码验证、显示室内信息、控制器指令映射、自动控制方案模拟、记录系统日志和发送报警信息等服务。所述用户密码验证服务通过字符串比较函数实现。所述显示室内信息服务能够显示室内温湿度、报警信息、视频信息等。所述控制器指令映射利用所述智能家居网关的Flash存储器存储映射列表；进行控制指令重映射时，所述智能家居网关通过Zigbee网络更新所述监控节点的程序；同时，用户既可以利用Flash内固化的经典指令映射，也可以自己定义指令映射。所述记录系统日志服务能够将远程监控端的运行数据保存为仿真文件。所述自动控制模拟服务通过调用所述仿真文件，模拟用户在室内时的灯光家电运行状况，当用户长期外出时，可使用这一服务，迷惑盗贼，降低房屋被盗的几率。所述发送报警信息服务能够利用射频模块，向用户手机发送文字信息和视频信息。

Claims (9)

1.一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统，包括智能家居网关、监控节点和四种控制器；其特征在于，智能家居网关安装以太网控制器、红外接收器、Zigbee协调器和视频监控模块，并通过Zigbee与监控节点通信；监控节点设有入侵监控装置、煤气火险报警装置、温度湿度监测装置和灯光家电控制装置；四种控制器分别是手势控制器、语音控制器、红外遥控器和远程控制端，其通过Zigbee、红外线和以太网与智能家居网关相连。

2.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，Zigbee通讯模块为具有处理器内核的Zigbee模块。

3.根据权利要求2所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，所述的Zigbee通讯模块为JN5148。

4.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，温度湿度监测装置采用数字式温湿度传感器。

5.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，手势控制器采用MEMS数字式加速度传感器，具有戒指式和手套式两种穿戴方案，通过判断右手食指和中指的加速度阈值，实现简单的手势识别。

6.根据权利要求5所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，手势控制器的速度传感器佩戴于右手食指和中指的第三节处。

7.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，语音控制器采用非特定人语音识别模块，通过预先录入语音指令的汉语拼音，实现语音控制。

8.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，红外遥控器用于家电的手持遥控器控制。

9.根据权利要求1所述的Zigbee智能家居系统，其特征在于，远程控制端是一台运行监控软件的个人计算机，用于显示和记录系统信息，同时实现系统定制与升级；控制指令映射包括经典指令表映射和用户自定义指令映射，用户能够个性化定制。

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