CN103942856A - 基于ZigBee的智能家居安防系统 - Google Patents

Abstract

本发明是基于zigbee的智能家居安防系统，是将Zigbee技术与网络结合，设计了一套通过无线网络实现控制家庭安防系统的智能家居安防系统。该系统将PC、手机、门禁组成一个局域网，网络节点由CC2430组建而成，该局域网通过Wifi网络连接到用户手机，用户可以远程操控系统的开关。同时在PC端设计控制平台，用户可以在家中通过电脑观察门禁情况。与传统的家庭控制网络大多采用有线技术，可扩展性差、布线繁琐、费用高相比，该智能家居安防系统具有可扩展性好、低成本、低功耗等特点。

Description

基于ZigBee的智能家居安防系统

技术领域

本发明将Zigbee技术与网络结合，设计了一套通过无线网络实现控制家庭安防系统的智能家居安防系统。该智能家居安防系统具有可扩展性好、低成本、低功耗等特点。属于监测控制领域。 

背景技术

随着社会经济的发展、生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的家庭住宅系统提出了挑战。人们对于家居的要求已经不仅仅是物理意义上的生存空间，更为关注的是一个高度安全性、方便、舒适的生活环境、先进的通讯设备、完备的信息终端、自动化和智能化的家用电器、信息资源使用的网络化的需求等等，现代的家居设计理念越来越追求便捷化、高效化与智能化，家居设备的高度智能化已经成为一种强烈的消费需求。同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是天方夜谭。由于电子技术的进步，家居产品已与计算机、网络通信技术紧密地结合在一起，智能化的家用电子电器产品应运而生，智能家居系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。 

本发明设计的无线智能家居控制网络系统在家庭组网中采用Zigbee技术，它是一种近距离、低成本、低能耗、低数据速率的无线网络技术，它符合IEEE802.15.4标准，是IEEE工作组专门为短距离通讯制定的标准。 

在智能家居系统中，家庭子网的构建是重中之重。家庭网络技术的选择一般有以下两个基本原则：一是家庭子网的性能要求，如数据传输速率、可靠性、接入速度等；另一个就是能否满足设计的功能需求。在家庭环境下，家庭子网一般分为家庭数据网络和家庭控制网络两种。家庭数据网络侧重于网络通信和大数据量的音频、视频服务，与家庭数据网络核心目标不同，家居控制网络需要的是简单的控制、低速率的通信和灵活的互连性。因此在对智能家居系统的家庭子网进行构架时，主要关注的是低速率、低成本的通信手段以及灵活的组网方式。家庭子网中通常有大量的节点设备，而这些节点设备大多使用电池供电，因此成本和功耗是组建家庭控制网络过程中首先需要考虑的两个问题。 

1.几种短距离无线网络的比较 

由于有线网络固有的布线困难、扩展性差等缺点，将无线网络技术应用于家庭网络已成为大势所趋。目前，比较流行的短距离无线通信技术主要有红外(IrDA)技术、蓝牙(Bluetooth)技术、Wifi(IEEE802.)技术和Zigbee技术。 

●Zigbee技术 

ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。Zigbee技术的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4协议标准，在此基础上Zigbee联盟对其网络层、应用会聚层和高层应用规范进行了标准化与必要的完善和扩展。Zigbee技术专注于10Kbps到250Kbps的低速率传输应用，主要适合于自动控制和远程控制领域。 

●Zigbee用于家庭组网的可行性 

家庭控制网络是整个智能家居控制系统的神经和核心，对于家庭控制网络而言，必须满足如下要求： 

(1)可靠性，家居控制网络要求数据传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻塞而下降，要保证家居主节点与家居设备节点之间安全、无差错的数据传输。Zigbee的MAC层采用talk-when.ready碰撞避免机制，这种方式大大提高了系统数据传输的可靠性。 

(2)成本，在一个家庭中可能有几十甚至上百个家居设备节点，对于众多的节点来说，成本是相当可观的。目前，Zigbee芯片的成本大约在4美元左右，对于大批量应用而言Zigbee设备的成本可以做到2美元以下。随着半导体集成技术的发展，Zigbee芯片的体积将会变得越来越小，价格也会降得更低。 

(3)可扩展性，在家庭中家居设备不会一成不变，而在实际应用中经常需要添加或者删减设备节点，当设备节点数目发生变动时，系统应当具备一定的机制扩充网络节点，而不需要改变网络的结构。Zigbee网络中每个设备可连接多达255个节点，而几个设备之间则可形成一个更大的无线网络，Zigbee网络对路由传输的数目则没有限制。 

(4)信号覆盖率，家庭住宅的范围在10～100米之间，且房间之间有墙壁阻隔，各设备网络节点之间必须能够穿透墙壁在一定距离之间进行可靠通信。Zigbee的有效覆盖范围可达100米左右，并且该频段对于墙壁有比较好的穿透性，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而改变，一般都能够覆盖办公室或普通的家庭环境。 

发明内容

本发明将Zigbee技术与网络结合，设计了一套通过无线网络实现控制家庭安防系统的智能家居安防系统。该系统将PC、手机、门禁组成一个局域网，网络节点由CC2430组建而成，该局域网通过Wifi网络连接到用户手机，用户可以远程操控系统的开关。同时在PC端设计控制平台，用户可以在家中通过电脑观察门禁情况。 

智能家居安防系统门禁系统的总体结构框图如图1所示，主要由前段(Zigbee节点)，后端(主服务器)，以及移动设备三部分组成。前端有传感监测器，信号转换器，和无线发送，后端有无线接收和控制中心(个人计算机)。前端和后端通过Zigbee网络无线连接。后端和移动设备通过WLAN网络相通信。在个人PC及移动设备上均有图形界面控制台，以开启和 关闭系统，并且获知传感器节点的状态。当主人离开家时可以通过控制按键打开主服务器并打开手机程序，以随时获知家里的情况。待主人回到家中和，便可以控制关闭系统。 

传感器加上信号处理，以及CC2430收发模块组成一个Zigbee节点。节点通过Zigbee网络与主服务器相连。主服务器也选用CC2430作为收发模块，通过串口与个人PC相连。主服务器根据从串口接收的数据来判断是否有非法人员进入室内。然后，个人PC通过Internet与移动用户相通信，告知家中的情况。 

附图说明

图1智能家居安防系统门禁系统的总体结构框图 

图2智能家居安防系统的软件编程任务图 

图3Android应用界面 

实施方式 

本发明设计的智能家居控制系统是以Zigbee技术为基础，综台Internet通信技术、无线通信建立起来的一套完整的家居控制系统。目的是将家庭中的家居设备连接到网络之中，使传统家居设备具有网络化、自动化、智能化的新特征。本系统需要在家居设备之上安装与之功能相对应的节点模块，这些节点模块包括了传感器、执行器和通信模块。各个节点模块将各自采集的信息经过处理之后通过家庭控制子网传输到家庭控制中心，家庭控制中心将信息上传到家庭网关，家庭网关响应用户远程提交的查询指令通过Internet将结果反馈到用户手中的移动终端之上。 

家庭网关是智能家居控制系统的核心部分，主要完成家庭内部网络各种设备之间的信息交换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关一般还负责家庭家居设备的管理和控制。 

外部网络为智能家居系统提供高速Internet接入和无线广域网接口，使得用户可以通过无线通信网络远程登录到家庭网关智能家居管理系统，对系统进行管理和控制，对家中的终端节点进行数据访问或者控制。 

如图2所示，智能家居安防系统的软件编程主要分为三部分：第一部分CC2430硬件上的编程，通过C语言来实现；第二部分是个人PC上控制平台的编程，通过C#语言来实现；第三部分是是手机应用程序的编程，通过Java语言来实现。 

1.Windows sockets数据传输 

在本文设计的智能家居远程控制网络中，选用TCP协议，即传输控制协议作为网络通讯协议。TCP协议是面向连接的协议，即进行网络传输时有一个连接的建立、维护和拆除的过程。在开始数据传输前发送方必须先与接收方建立连接，确认连接建立后再进行数据的传输；在 数据传输过程中保持已建立的连接；数据传输完成后双方再断开连接，这样就完成了一次完整的数据传输过程。在网络通信中通常使用Socket(套接字)来实现数据的传输。由于使用Socket能够在网络上处理复杂数据，在TCP/IP网络中，Socket(套接字)是网络通信中最常用的编程接口，应用程序需要传送和接收数据时通常都会使用Socket数据传输。 

在网络通信中，套接字是不同主机间的进程进行双向通信的端点，在相同的域内各种进程使用约定的Internet协议来进行相互之间的通信，这个通信域是套接字通信过程中引进的一种抽象概念，套接字通常和同一个域中的套接字交换数据，数据交换在进行跨域传输时需要特定的解释程序的协助。一般情况下，从理论上说，用户开发的应用程序仅在同一类的套接字间进行通信。在实际应用之中，不过只要底层的通信协议允许，不同类型的套接字间也照样可以通信。 

Socket一般被看成是一个像stream流一样的数据通道，这个数据通道架构在应用程序(客户端)和远程服务器之间，而数据的读取(接收)和写入(发送)均通过这个通道来实现。当应用程序端或者服务器端建立了Socket链接对象后(通道建立)产就可以使用Send/SendTo方法将数据发送到连接的Socket，或者使用Receive/ReceiveFrom方法接收来自连接的socket的数据。 

2.Android手机客户端软件设计 

●背景 

Internet的发展使得现在信息传递比以前畅通很多，而移动通信的发展使得我们获取信息的途径更加便捷快速。Wifi技术使得我们使用移动终端利用无线网络登录Internet获取信息更为便捷。网络已经是当今社会获取信息的重要手段，也是信息化社会的重要基础。电信网络和计算机网络的结合不仅大大提高网络资源利用率，而且为移动业务的发展提供了技术支持和应用平台。随着手机的不断普及以及性能的不断提升，如何基于手机这一大众化移动终端开发各类移动业务和信息服务系统成为当前新的应用研究的热点。 

Android是由Linux+Java构成的。这个平台的架构非常简单，使得它可以充分发挥硬件资源的性能，而它的开源性，降低了手机软件的开发成本，这就使得Android成为了目前移植性最好的手机操作系统。而Android的开源性也使得Android手机不会有太高的价位，用户可以比较容易的获取各种所需要的信息。基于此本课题采用Android移动平台来开发面向智能家居家庭网关的移动应用系统。 

●设计平台以及需要注意的问题 

针对智能家居系统中手机移动终端应用的要求，手机软件采用eclipse开发环境，使用JAVA作为开发语言。由于手机软件开发使用与个人计算机一致的集成开发环境，降低了手机 移动终端的软件开发难度。在开发手机移动终端软件时必须注意下面的一些问题： 

(1)手机移动终端应该保持快捷高效，大规模的运算和数据处理应该提交给家庭网关服务器。另外手机的内存有限，要求应用程序尽可能的小，只包括基本的组件即可。 

(2)手机的屏幕尺寸较小，分辨率也较低，难以显示大量信息，另外，Android的智能手机用户通常习惯使用触摸屏操作，由于触摸屏的特点，因此在设计远程控制程序时要充分考虑到应用程序显示的信息量，以及触摸屏控制的便捷性，在功能与操作之间找平衡点。 

(3)手机移动终端与家庭网关之间使用Wifi进行通信，为了降低数据通信的成本，必须注意节约数据通信流量。 

(4)手机移动终端依靠电池供电，必须尽可能的考虑节省能耗。 

考虑到手机的特点以及Wifi连接的特殊性，手机终端上应用程序的结构不易过于复杂，基于这点考虑，手机终端软件提供了连接PC，监控进入人数，与PC同步等功能。手机终端上数据的格式使用标准化的，基于文本的XML格式，它能够解决数据跨平台的问题，并且与家庭网关上程序所用的数据格式相同，便于通信和分析。 

●Android应用开发界面以及应用界面 

程序启动后显示如图3所示的界面，点击“连接至PC”按钮，在PC端上位机开启的前提下，手机将通过Socket连接到PC，并与PC进行实时的通信。若有报警信息号，将会在“确认”按钮的左侧显示“有人进来了！”报警字样。 

Claims (4)

1.一种基于ZigBee技术的智能家居安防系统，是一套通过无线网络实现控制家庭安防系统的智能家居安防系统。

2.该智能家居安防系统，是以Zigbee技术为基础，综台Internet通信技术、无线通信建立起来的一套完整的家居控制系统。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的智能家居安防系统，其特征在于该系统将PC、手机、门禁组成一个局域网，网络节点由CC2430组建而成，该局域网通过Wifi网络连接到用户手机，用户可以远程操控系统的开关。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的智能家居安防系统，其特征在于在PC端设计控制平台，用户可以在家中通过电脑观察门禁情况。