CN105739468A - 一种基于Zigbee和智能手环的智能家居系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee和智能手环的智能家居系统及其控制方法，包括中央控制器、手机Android客户端、Zigbee协调器、无线通讯模块、语音播放电路、家庭设备节点、传感器节点和智能手环，用户通过佩戴智能手环进行室内定位，根据设定实现家居系统的智能开闭，传感器节点对家居系统进行检测，当发生危险时通知用户，当发送火灾时进行智能报警。

Description

一种基于Zigbee和智能手环的智能家居系统及其方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，具体涉及一种基于Zigbee和智能手环的智能家居系统及其方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对于家庭居住环境的要求越来越高。安全、舒适、方便、节能的家居环境越来越成为人们所追求的目标，智能家居也是未来的一个大的趋势，而且随着穿戴式设备智能手环的越来越普及，在智能家居的智能控制方面也将发挥重要的角色。

Zigbee技术是一种近距离、低成本、低功耗、低复杂度的双向无线通信技术，目前也被广泛应用于物联网产业链中，技术已经比较成熟。相对于传统的wifi组网相比，Zigbee组网功耗更低、成本更低，而且更加容易组网，适用于智能家居领域。但是当前智能家居并没有将Zigbee网络的室内定位运用到智能家居系统中，利用已有的Zigbee网络进行室内定位，可以定位64m的X、Y距离，定位精度最优可以达到0.25m，其精度已经可以适用于定位来进行家庭设备开关的智能控制。

目前大多数智能家居系统将控制接入Internet，都是基于网络对系统进行远程控制，在一些场合不是很方便。该系统通信方式兼有wifi和4G两种无线通信方式。利用目前已经比较普及的4G技术，充分发挥4G的优势，并利用4G的语音通话和短信功能；同时兼有wifi控制，可以节省流量。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，具体实现一个基于Zigbee和智能手环的安全舒适、简便快捷、扩展性好、节能的智能家居系统。

为了实现上述目的，本发明的技术实现方案如下：

基于Zigbee和智能手环的智能家居系统包括中央控制器、手机Android客户端、Zigbee协调器、无线通讯模块、语音播放电路、家庭设备节点、传感器节点和智能手环，所述的中央控制器通过无线通讯模块与手机Android客户端通信，中央控制器分别与语音播放电路、Zigbee协调器相连，所述的Zigbee协调器与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环通过Zigbee自组网与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环集成有CC2431芯片。

进一步的，所述的家庭设备节点包括Zigbee分节点、功能驱动模块和家庭设备，每一个家庭设备配置一个功能驱动模块和一个Zigbee分节点。

进一步的，所述的传感器节点包括Zigbee分节点、A/D转换模块和传感器阵列。

进一步的，所述的传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、粉尘传感器、烟雾传感器、红外线传感器以及可燃气体气敏传感器，传感器阵列中的每一个传感器配置一个Zigbee分节点。

进一步的，所述的无线通讯模块包括4G模块和wifi模块，4G模块选用USR—G401t，wifi模块选择ESP8266。所述的语音播放电路为美国ISD公司的ISD4002。所述的中央控制器为STM32F401。所述的Zigbee分节点、Zigbee协调器和路由器均为CC2530F256。

所述智能家居系统的控制方法是：

设置Zigbee协调器为主节点，Zigbee协调器建立zigbee家庭局域网，同时创建一个网络邻接表，在每个房间设置一个路由器，主节点为每个路由器分配一个PANID，并将信息添加到网络邻接表中，完成路由器的添加；

当家居设备或传感器需要加入该网络时，其对应的Zigbee分节点将自身64位的IEEE地址发送给路由器，再由路由器转发给Zigbee协调器，Zigbee协调器根据不同路由器转发来的信息进行分组，然后为每个Zigbee分节点分配一个PANID，并将信息添加到网络邻接表中，标志该Zigbee分节点被添加到网络中；

当需要对某一家庭设备进行控制时，主节点找到与该家庭设备相连的Zigbee分节点，并将中央控制器的控制信息发往与该Zigbee分节点相连的路由器，路由器再将控制信息转发给对应的Zigbee分节点，Zigbee分节点接收到控制信息后，通过功能驱动模块对该家庭设备进行相应的操作；

中央控制器通过无线通讯模块与手机Android客户端通信，用户通过手机Android客户端对中央控制器的设置进行修改；Wifi模块中的ESP8266设置为AP接入点，手机Android客户端接入该AP后，ESP8266记住该设备，并隔设定时间给手机发送询问信息，确定手机Android客户端是否还在wifi覆盖区域，当手机离开覆盖区域后中央控制器收不到手机发送的确认信息，切换成为4G模块通信。

设定位置固定不变的家庭设备节点或传感器节点作为室内定位的参考节点，将参考节点的位置参数作为智能手环的CC2431芯片的定位引擎的一个参数输入，将收到的信号强度RRSI作为另一个参数输入，定位引擎计算得到自身的位置，并将位置信息发送给中央控制器；中央控制器根据智能手环的位置关闭或开启家庭设备；

传感器阵列中的传感器检测室内环境信息，检测信息通过A/D转换模块、Zigbee分节点、路由器和Zigbee协调器传输给中央控制器，当某一检测信息超过其设定阈值时，中央控制器根据预存设置通过4G模块向手机Android客户端发送短信或者拨打电话，当选择拨打电话时，语音播放电路播放对应的音频；

传感器阵列中的烟雾传感器、红外线传感器和温度传感器检测室内环境变化，通过中央控制器判断是否发生火灾，当判断发生火灾时，利用4G模块进行语音拨号报警，同时中央处理器启动语音播放电路播放音频。

本发明所具有的有益效果是：分布在家庭各个角落的家庭设备节点和传感器节点可以作为室内定位的参考节点，可将室内位置固定不变的家庭设备或传感器节点作为室内定位的参考点，参考点的无线收发模块不需要定位引擎，因此选用cc2530F256，具备Zigbee协议栈，提供了完整而强大的Zigbee解决方案。

中央控制器和手机Android远程终端通信模块由4G/wifi模块构成，具备4G通信和wifi通信两种无线通信方式。在手机在家庭网络时可以利用家庭wifi进行控制，可以节省流量；在家庭wifi覆盖不到的地方，可以自动切换成4G模块通信，保持远程控制功能的连续性以及稳定性。

该智能家居需利用智能手环基于家庭Zigbee网络进行室内定位，目前的智能手环一般使用蓝牙通讯，为了能够进行室内定位，智能手环还需要集成Zigbee无线收发模块，该模块还需要具备定位引擎，CC2431具备该功能。

室内定位可应用于电器设备的开关控制，中央控制器通过定位判断在人一定时间不在某个房间时，可将对应房间的电灯、空调等其他设备进行关闭，而这个判断时间长短设定可以在手机Android客户端上进行控制，同时也可以设定需要关闭的设备。

目前的智能手环大多集成有检测睡眠的功能，这个功能在智能家居中也可以得到很好的利用。当人半夜醒来上厕所的时候，手环根据人醒来上厕所这个情况，可以将床头灯以及其他区域的灯在基于室内定位的基础上点亮，当然这个设定也是可以在手机Android客户端上进行按照个人喜好进行设定。

在家居系统内部发生比较紧急的事件的时候，4G模块可以发送短信给用户；或者拨打电话给用户，然后播放对应的音频。发送短信还是拨打电话通知用户可以根据智能家居系统内部发生事件的紧急程度，当然这个也可以由用户自己在手机Android客户端上自行设定。

扩展性好的Zigbee家庭局域网。家庭设备以及传感器和智能家居Zigbee网络控制器分节点，家庭设备节点还需要有功能驱动模块来控制特定的家庭设备的运行。系统采用该设计方案，可以方便地组建智能家居系统网络，与各个家居设备进行通信；当新加入家居设备时，只需要对功能控制模块进行相应的修改，当删除家居设备时，也只需要移除相应的智能家居网络控制器分节点。因此该方案具有设计灵活,通用性好,可扩展性好等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为该智能家居系统整体结构框图。

图2为Zigbee局域网网络拓扑结构图。

图3为室内定位实现示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施实例，并结合附图，进一步说明本发明，使本发明的实现的技术手段、功效等更加易于明白了解。

如图1所示，基于Zigbee和智能手环的智能家居系统，包括中央控制器、手机Android客户端、Zigbee协调器、无线通讯模块、语音播放电路、家庭设备节点、传感器节点和智能手环，所述的中央控制器通过无线通讯模块与手机Android客户端通信，中央控制器分别与语音播放电路、Zigbee协调器相连，所述的Zigbee协调器与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环通过Zigbee自组网与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环集成有CC2431芯片。

如图2所示，首先通过Zigbee协调器主节点构建一个家庭Zigbee局域网。通过对CC2530编程进行参数设置配置成协调器，在每个房间再利用CC2530配置一个路由器，随后各个网络控制器分节点(Zigbee分节点)随后加入该网络,他们共同组成一个簇状的无线家居网络。当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点找到与该家居设备相连的分节点的信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的路由器，路由器再将信息转发给对应的分节点，分节点接收到信息后，送入功能驱动模块，功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作。同时考虑到整个家居网络的健全性，如果某个房间的路由器瘫痪，Zigbee终端节点可以选择其他房间的路由器。

基于这种家居网络结构，在系统中设计网络组网流程如下：首先由充当协调器的网络控制器主节点建立Zigbee家庭局域网，同时创建一个网络邻接表，随后为每个路由器分配一个PANID，此地址仅在该网络中有效，并将信息添加到该网络邻接表中，网络节点的添加就完成了。当路由器下层的家居设备想加入该网络时，将自身64位的IEEE地址即全球唯一标识符等发送给路由器，再由路由器将此信息转发给网络协调器。网络协调器根据不同路由器转发来的信息进行分组，然后为每个家电分配一个PANID，再将此家电设备添加到网络邻接表中，标志终端设备家电被添加到此网络中。

Zigbee局域网中，协调器主节点和路由器使用全功能设备FFD，终端节点使用精简功能设备RFD。Zigbee设备具有极低的功耗，两节五号电池可以维持运行长达6个月到两年的时间，但是这是针对终端节点RFD来说，而对于协调器和路由器，由于频繁处于运行状态，功耗其实还是比较大的。所以对于协调器和路由器设备，可以通过接入交流电进行降压整流后供电。

基于Zigbee家庭局域网实现室内定位。室内定位主要利用的是集成有定位引擎的CC2431的智能手环，基于Zigbee家庭局域网内的参考点实现。其系统结构如图3所示。

实现室内定位的参考节点是位置固定的路由器或者其他终端节点，将参考节点的位置参数作为智能手环上的CC2431芯片定位引擎的一个参数输入，同时再根据CC2431收到的信号强度RRSI，定位引擎计算得到自身的位置，并将位置信息发送给中央控制器。

中央处理器接受各终端节点发送的信息，通过连接的4G/wifi模块进行通信。Wifi模块中的ESP8266通过编程设置为AP接入点，手机终端接入该AP后，ESP8266可以记住该设备，并隔一定时间给手机发送询问信息，确定手机终端还在wifi覆盖区域，当手机离开后中央控制器收不到手机发送的确认信息，自动切换成为4G通信。

当发生火灾时，烟雾传感器、红外线传感器、温度传感器检测到环境变化，传输到中央处理器，通过判断传感器阵列传递信息特征来判断是否发生火灾，从而启动火灾报警，利用4G模块进行语音拨号报警，同时中央处理器启动语音播放电路的音频输出。

Claims (9)

1.一种基于Zigbee和智能手环的智能家居系统，其特征在于包括中央控制器、手机Android客户端、Zigbee协调器、无线通讯模块、语音播放电路、家庭设备节点、传感器节点和智能手环，所述的中央控制器通过无线通讯模块与手机Android客户端通信，中央控制器分别与语音播放电路、Zigbee协调器相连，所述的Zigbee协调器与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环通过Zigbee自组网与家庭设备节点、传感器节点通信，所述的智能手环集成有CC2431芯片。

2.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于所述的家庭设备节点包括Zigbee分节点、功能驱动模块和家庭设备，每一个家庭设备配置一个功能驱动模块和一个Zigbee分节点。

3.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于所述的传感器节点包括Zigbee分节点、A/D转换模块和传感器阵列。

4.根据权利要求3所述的智能家居系统，其特征在于所述的传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、粉尘传感器、烟雾传感器、红外线传感器以及可燃气体气敏传感器，传感器阵列中的每一个传感器配置一个Zigbee分节点。

5.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于所述的无线通讯模块包括4G模块和wifi模块，4G模块选用USR—G401t，wifi模块选择ESP8266。

6.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于所述的语音播放电路为美国ISD公司的ISD4002。

7.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于所述的中央控制器为STM32F401。

8.根据权利要求2所述的智能家居系统，其特征在于所述的Zigbee分节点、Zigbee协调器和路由器均为CC2530F256。

9.一种如权利要求1所述智能家居系统的控制方法，其特征在于：

设置Zigbee协调器为主节点，Zigbee协调器建立zigbee家庭局域网，同时创建一个网络邻接表，在每个房间设置一个路由器，主节点为每个路由器分配一个PANID，并将信息添加到网络邻接表中，完成路由器的添加；

当家居设备或传感器需要加入该网络时，其对应的Zigbee分节点将自身64位的IEEE地址发送给路由器，再由路由器转发给Zigbee协调器，Zigbee协调器根据不同路由器转发来的信息进行分组，然后为每个Zigbee分节点分配一个PANID，并将信息添加到网络邻接表中，标志该Zigbee分节点被添加到网络中；

当需要对某一家庭设备进行控制时，主节点找到与该家庭设备相连的Zigbee分节点，并将中央控制器的控制信息发往与该Zigbee分节点相连的路由器，路由器再将控制信息转发给对应的Zigbee分节点，Zigbee分节点接收到控制信息后，通过功能驱动模块对该家庭设备进行相应的操作；

中央控制器通过无线通讯模块与手机Android客户端通信，用户通过手机Android客户端对中央控制器的设置进行修改；Wifi模块中的ESP8266设置为AP接入点，手机Android客户端接入该AP后，ESP8266记住该设备，并隔设定时间给手机发送询问信息，确定手机Android客户端是否还在wifi覆盖区域，当手机离开覆盖区域后中央控制器收不到手机发送的确认信息，切换成为4G模块通信。

设定位置固定不变的家庭设备节点或传感器节点作为室内定位的参考节点，将参考节点的位置参数作为智能手环的CC2431芯片的定位引擎的一个参数输入，将收到的信号强度RRSI作为另一个参数输入，定位引擎计算得到自身的位置，并将位置信息发送给中央控制器；中央控制器根据智能手环的位置关闭或开启家庭设备；

传感器阵列中的传感器检测室内环境信息，检测信息通过A/D转换模块、Zigbee分节点、路由器和Zigbee协调器传输给中央控制器，当某一检测信息超过其设定阈值时，中央控制器根据预存设置通过4G模块向手机Android客户端发送短信或者拨打电话，当选择拨打电话时，语音播放电路播放对应的音频；

传感器阵列中的烟雾传感器、红外线传感器和温度传感器检测室内环境变化，通过中央控制器判断是否发生火灾，当判断发生火灾时，利用4G模块进行语音拨号报警，同时中央处理器启动语音播放电路播放音频。