CN202178785U - 基于ZigBee和页面生成的智能家电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于ZigBee和页面生成的智能家电系统，所述系统包括计算机、嵌入式Web网关和多个终端设备。嵌入式Web网关包括ARM微处理器、Flash、SDRAM、时钟电路、电源电路、网卡接口和ZigBee协调器模块七部分；基于嵌入式Web服务器，实现了家电控制页面的自动生成。ZigBee协调器模块与终端设备采用ZigBee协议实现无线连接，负责操作指令的下发和终端设备数据的上传。终端设备接收网关指令，执行控制指令，上传设备运行状态及环境参数数据。计算机通过互联网远程访问嵌入式Web网关，获取家电控制页面，对终端设备进行名称管理、设备运行状态及环境参数的查询和控制。

Description

基于ZigBee和页面生成的智能家电系统

技术领域

本实用新型涉及远程智能家电控制领域，具体涉及基于ZigBee和页面生成的智能家电系统。 

背景技术

远程智能家电控制技术是综合了电子、通信、家电和计算机四大学科的先进技术，吸引了各个领域的先进研究组织、知名企业的研究，并形成了具有不同侧重点的协议标准。这些协议主要有起初各公司的私有协议，也有最终形成的公开协议，其中国外知名的公开协议有微软主导的UpnP、索尼主导的HAVi和Sun公司主导的Jini。当前远程智能家电控制领域中还较少能够实现页面自动生成，一种情况是设备商为每个设备预先设定一个固定的页面，下载到用户端上安装，这种方式的优点是控制页面功能丰富，但每安装一个新设备或设备升级都要重新下载新的页面，样式太过固定；另一种情况是终端设备提供少量信息实现页面自动生成，但由于信息较少，生成的页面简单、功能不齐全、操作不方便。本实用新型的远程家电控制技术，使用非常热门的ZigBee技术，具有成本低、安装方便、功耗低、性能稳定的优点；ZigBee网络为网关自动生成家电控制页面提供了足够的关键信息，生成的家电控制页面操作方便、页面功能丰富；网关对终端设备进行名称管理，实现了终端设备的集中管理。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供基于ZigBee和页面生成的智能家电系统及其实现方法。具体技术方案如下： 

本实用新型提供基于ZigBee和页面生成的智能家电系统，所述系统包括计算机、嵌入式Web网关和多个终端设备。计算机通过互联网远程访问嵌入式Web网关，获取家电控制页面，对终端设备进行名称管理、设备运行状态及环境参数的查询和控制。嵌入式Web网关与多个终端设备采用ZigBee协议实现无线连接，嵌入式Web网关通过无线网络将操作指令发送给指定网络地址的终端设备，终端设备接收网关指令，执行控制指令，上传设备运行状态及环境参数数据。

上述的基于ZigBee和页面生成的智能家电系统中，嵌入式Web网关采用Linux操作系统，包括BOA服务器、通用网关接口CGI和SQLite数据库；BOA服务器从ZigBee协调器模块接收到的设备出厂信息中获取页面生成关键信息，根据家电控制页面模板，经过CGI程序对页面生成关键信息进行处理，自动生成该终端设备的家电控制页面。 

上述的基于ZigBee和页面生成的智能家电系统中，嵌入式Web网关中的ZigBee协调器模块与终端设备共同组成ZigBee无线网络，ZigBee协调器模块负责建立ZigBee网络，分配加入成员的网络地址，维护节点的绑定关系表，一方面将终端设备上发的物理地址、设备出厂信息等数据发送给嵌入式Web网关中的嵌入式Web服务器，另一方面将嵌入式Web服务器下发的操作指令发送给指定终端设备；终端设备在加入ZigBee网络后，上发物理地址、设备出厂信息等数据给ZigBee协调器模块，接收ZigBee协调器模块下发的查询指令或控制指令，采集终端设备运行状态及温湿度等环境参数或执行相应控制指令。 

上述的基于ZigBee和页面生成的智能家电系统中，终端设备包括无线单片机、射频电路、传感器模块、设备控制模块和时钟电路；无线单片机通过差分射频端口、收发切换端口与射频电路连接；无线单片机通过ADC端口与传感器模块连接；无线单片机通过I/O端口与设备控制模块连接；终端设备若收到查询指令时，终端设备将其运行状态和传感器模块采集的温湿度等环境参数值上发给嵌入式Web网关，家电控制页面将显示该终端设备运行状态和最新温湿度等环境参数信息；终端设备若收到控制指令时，终端设备通过设备控制模块对设备进行控制，控制成功后将反馈信息上发给嵌入式Web网关，家电控制页面将显示该反馈信息，表明该设备控制成功。 

上述的基于ZigBee和页面生成的智能家电系统中，计算机通过互联网远程访问嵌入式Web网关，获取家电控制页面；在家电控制页面上，根据终端设备的安装位置，对默认终端设备名称进行自定义，将自定义设备名称对应的物理地址、设备出厂信息等数据存储在SQLite数据库中，实现终端设备名称管理；在家电控制页面上选择任意终端设备，出现该设备即时温湿度等环境参数信息及设备支持的操作按键，选择要实现功能的按键，则嵌入式Web网关下发该终端设备对应按键的查询指令或控制指令给对应物理地址的终端设备。 

上述的基于ZigBee和页面生成的智能家电系统及其实现方法，该方法中嵌入式Web网关先建立系统，终端设备加入系统后，提交物理地址、设备出厂信息，嵌入式Web网关通过提取页面生成关键信息自动生成该终端设备家电控制页面，计算机通过家电控制页面按键对该终端设备进行操作，具体包括如下步骤： 

(1)将嵌入式Web网关接上电源，终端设备接上电源；

(2)在计算机上安装浏览器软件，通过互联网访问嵌入式Web服务器，打开家电控制页面后，在显示的终端设备列表中选中终端设备，页面将显示出该终端设备的温湿度等环境参数和该终端设备支持的操作指令按键，对相应位置的终端设备名称进行自定义，如客厅空调、客厅电灯、卧室空调、卧室电灯；

(3)在家电控制页面上，对该终端设备选择运行状态和环境参数值查询按键，如空调设备的“查询运行状态和环境温度”按键，页面将显示终端设备开关与否以及最新的环境参数值；

(4)根据查询的终端设备运行状态以及温湿度等环境参数值，对终端设备进行控制；若终端设备处于“开”状态，则直接选择选择一个控制按键，控制成功后家电控制页面将显示“OK”；若终端设备处于“关”状态，则先要选择终端设备开启按键，当家电控制页面显示“OK”后，再选择其他功能按键；

(5)按照步骤(3)、 (4)对家电控制页面进行操作，即可远程对终端设备的控制，实现环境参数的调节；

上述的实现方法中，所述的某个终端设备掉电后再次上电加入系统时，嵌入式Web网关将根据数据库识别出其物理地址，自动生成服务控制界面，而不需再获取加入设备的设备出厂信息和自定义加入设备的设备名称。

上述的实现方法中，所述的嵌入式Web网关最多可对65535个终端设备进行控制，每个终端设备拥有一个16位的网络地址编号，网络地址范围为0x0001~0xFFFF。 

上述的实现方法中，嵌入式Web网关共向终端设备下发两种指令： 

查询指令：家电控制页面生成后，用户远程访问嵌入式Web网关，用来获取终端设备运行状态和温湿度等环境参数的指令，如空调设备是否开启、空调的环境温度、电灯的环境明亮程度；

控制指令：用户远程访问嵌入式Web网关，用来控制终端设备完成某种控制功能而下发的指令，如开、关终端设备，空调的升高或降低温度，电灯的增加或降低亮度。

上述的实现方法中，终端设备有两种工作状态： 

执行指令状态：终端设备接收到ZigBee协调器模块下发的指令数据，收到指令后立即对设备进行相应操作；

深度休眠状态：终端设备处于休眠状态，相隔一段睡眠时间醒来后对ZigBee协调器模块进行轮询，若有数据立即转为执行指令状态，若无数据则继续休眠。

本实用新型在嵌入式Web网关实现嵌入式Web服务器，家电控制页面自动生成，实现终端设备名称管理，为终端设备的集中管理提供了基础；嵌入式Web网关内的ZigBee协调器模块与终端设备采用ZigBee协议，具有成本低、安装方便、功耗低、性能稳定的优点。具体来说，与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果： 

(1)设备通用性高。终端设备向嵌入式Web网关上发设备出厂信息，嵌入式Web服务器从该信息中获得页面生成关键信息，套用家电控制页面模板，经过CGI程序对页面生成关键信息进行处理，自动生成家电控制页面，该方法不受不同设备出厂所支持控制界面的限制。

(2)便于集中管理。在终端设备第一次加入系统时，根据设备安装位置情况对终端设备默认名称进行自定义，将其物理地址、自定义设备名称以及设备出厂信息存储在数据库中，当终端设备断电再一次加入系统时，嵌入式Web网关即可识别出设备。 

(3)抗干扰能力强、可靠性高。ZigBee网络具有很强的抗干扰性能，在物理层采用高处理增益的DS/FA，处理增益越大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也越强；ZigBee协议栈采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙来避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 

(4)低成本、低功耗。ZigBee是一个轻量协议栈，对终端处理其硬件要求低，节约了设备硬件成本；免专利费；采用休眠机制，终端设备每隔一段休眠时间对协调器模块进行轮询，若无数据则继续休眠，无线通信平均功耗较低。 

(5)智能化。用户利用互联网远程访问网关终端设备家电控制页面，根据页面显示的终端设备环境参数信息，可对终端设备进行远程控制；系统操作指令丰富，可对设备进行运行状态和环境参数查询，以及设备开启/关闭、亮度调节和温度调节控制，实现终端设备控制智能化。 

附图说明

图1 是本实用新型实施方式中的系统结构图。 

图2 是本实用新型实施方式中的终端设备组成模块图。 

图3 是本实用新型实施方式中的嵌入式Web服务器的功能实现图。 

图4 是本实用新型实施方式中的终端设备工作流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。 

1．嵌入式Web网关和终端设备的硬件方案 

嵌入式Web网关主要包括ARM微处理器S3C2410、Flash存储芯片、SDRAM存储芯片、时钟电路、电源电路、网卡接口和ZigBee协调器模块；Flash通用闪存接口CFI与ARM微处理器连接，担当Bootloader、Linux操作系统内核、BOA服务器程序、通用网关接口CGI程序和SQLite数据库的存储；SDRAM通过数据、地址和控制三总线与ARM微处理器连接，暂时存放ARM微处理器中的数据；网卡接口通过ISA总线与ARM微处理器连接；ZigBee协调器模块通过串行接口与ARM微处理器连接，ZigBee协调器模块建立网络等待终端设备加入，当有终端设备加入后，分配网络地址，将终端设备物理地址和设备出厂信息上发给嵌入式Web服务器；嵌入式Web服务器下发的操作指令先发送到ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块再通过无线网络发送给指定网络地址的终端设备。

终端设备包括无线单片机CC2430、射频电路、传感器模块、设备控制模块和时钟电路；无线单片机通过差分射频端口、收发切换端口与射频电路连接；无线单片机通过ADC端口与传感器模块连接，传感器模块负责采集模拟数据，并将模拟数据送到CC2430的ADC进行模数转换，最终得到相应的环境参数数值；设备控制模块与CC2430的I/O连接，当有指令下发给终端设备时，设备控制模块实现终端设备的相应操作。当用户没有发送指令时，终端节点将处于休眠状态，事先用定时器定义休眠间隔时间，每隔一个休眠时间终端设备将醒来对ZigBee协调器模块进行轮询，看是否有该终端设备的指令信息。若有指令信息则终端设备立即执行该指令，若为查询指令，终端设备将其运行状态和传感器模块采集的温湿度等环境参数值上发给嵌入式Web网关，家电控制页面将显示该终端设备运行状态和最新温湿度等环境参数信息；若为控制指令时，终端设备通过设备控制模块对设备进行控制，控制成功后将反馈信息上发给嵌入式Web网关，家电控制页面将显示该反馈信息，表明该设备控制成功；执行完后重新进入休眠状态。若没有指令信息，终端则重新进入休眠。 

2．嵌入式Web网关的功能实现 

2.1 BOA服务器的实现

嵌入式Web网关的功能实现包括的内容有BOA服务器、通用网关接口CGI和SQLite数据库，将BOA移植到运行Linux操作系统的ARM微处理器上，建立嵌入式Web服务器，为用户提供基于HTTP协议的接入方式，能够完成接受用户端请求、分析请求、响应请求、向用户端返回请求结果等任务；BOA服务器只支持基于CGI的自动生成网页，编写CGI程序实现对操作指令的处理；BOA服务器通过调用CGI程序实现家电控制页面的自动生成，并发送操作指令给终端设备，功能实现流程如下：

(1) BOA服务器的初始化。完成BOA服务器的初始化工作，如创建环境变量、创建TCP套接字、绑定端口、开始侦听、进入循环结构和等待接收用户端浏览器的连接请求；

(2)接收用户端请求。当有客户端连接请求时，BOA服务器负责接收用户端请求，并保存相关请求信息；

(3)对请求信息作出响应。BOA服务器根据请求方法不同，作出不同的响应。如果请求方法为HEAD，则简单地返回响应首部即可；如果方法是GET，则首先返回响应首部，然后将用户端请求的URL目标文件从服务器上读出，再送给用户端浏览器；如果请求方法为POST，则将用户端发送过来的表单信息发送给相应的CGI程序，作为CGI的参数来执行CGI程序，并将执行结果发送给用户端浏览器；

(4)关闭和用户计算机的连接。

2.2 家电控制页面的自动生成 

终端设备上电加入系统，将物理地址、设备出厂信息上发给嵌入式Web网关的ZigBee协调器模块；BOA服务器从ZigBee协调器模块接收到的设备出厂信息中获取页面生成关键信息，页面生成关键信息主要包括设备关联、服务关联、操作关联、控制键描述、参数描述；页面生成关键信息与一个终端设备相关联，根据服务关联划分区域，一个服务划分一个区域，在区域内对控制键、参数图形进行定位，控制键和参数通过操作关联绑定在一起，控制键描述包含参数列表、图形信息、定位信息，参数描述包含数据类型、图形信息、定位信息；根据嵌入式Web网关中的HTML模板，经过CGI程序对数据进行处理，自动生成能够呈现出服务状态和可操作的服务控制界面的HTML文件。

3．终端设备的名称管理 

计算机通过互联网远程访问嵌入式Web网关，获取家电控制页面，根据终端设备的安装位置，对默认终端设备名称进行自定义，将自定义设备名称对应的物理地址、设备出厂信息等数据存储在SQLite数据库中，实现终端设备名称管理；当终端设备掉电重新加入到系统时，系统将该设备的物理地址与SQLite数据库中的物理地址信息进行比对，若发现物理地址匹配成功则直接取出终端设备数据，生成服务控制界面，嵌入式Web网关不需再获取终端设备的设备出厂信息。

4．嵌入式Web网关对终端设备的控制流程 

(1)将嵌入式Web网关接上电源，ZigBee协调器模块初始化，激活并建立一个新网络，然后进入无线监控状态，等待终端设备加入；终端设备接上电源，终端设备初始化，激活后搜索到网络，发送加入请求，提交该终端设备的物理地址、设备出厂信息，ZigBee协调器模块监测接收到终端设备发送的加入请求，允许其加入，分配网络地址，同时将其物理地址、设备出厂信息上发给嵌入式Web网关；

(2) 在计算机上安装浏览器软件，通过互联网访问嵌入式Web服务器，嵌入式Web服务器接收ZigBee协调器模块上发的物理地址和设备出厂信息，并从设备出厂信息中获取页面生成关键信息，根据嵌入式Web网关中的HTML模板，经过CGI程序对页面生成关键信息进行处理，自动生成能够呈现出服务状态和可操作的家电控制页面的HTML文件；计算机打开家电控制页面，在显示的终端设备列表中选中终端设备，页面将显示出该终端设备的温湿度等环境参数和该终端设备支持的操作指令按键，根据终端设备的安装位置，对默认终端设备名称进行自定义，将自定义设备名称对应的物理地址、设备出厂信息等数据存储在SQLite数据库中；

(3) 在家电控制页面上，对该终端设备选择运行状态和环境参数值查询按键，嵌入式Web网关将查询指令下发给终端设备，终端设备收到查询指令后，无线单片机采样传感器模块的模拟电压，通过内部ADC模数转换器进行量化，再根据量化值与温湿度等环境参数的对应关系，得到环境参数数值，最后将该数据和终端设备运行状态一起上发给嵌入式Web网关；嵌入式Web服务器将收到的数据进行处理，页面将显示终端设备开关与否以及最新的环境参数值；

(4)根据查询的终端设备运行状态以及温湿度等环境参数值，选择相应控制按键，该控制指令以HTTP请求的方式发送给嵌入式Web服务器；嵌入式Web服务器收到的控制指令下发给ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块通过无线网络将控制指令下发给指定的终端设备；终端设备收到控制指令后，无线单片机解析命令，通过I/O口使能设备控制模块执行相应操作，设备控制成功后，终端设备向嵌入式Web网关上发“OK”信息；嵌入式Web服务器收到“OK”信息，进行处理后在家电控制页面上显示“OK”；

(5)按照步骤(3)、 (4)对家电控制页面进行操作，即可远程对终端设备的控制，实现环境参数的调节；

当终端设备掉电后重新加入到系统时，系统将该设备的物理地址与SQLite数据库中的物理地址信息进行比对，若发现物理地址匹配成功则直接取出终端设备数据，生成服务控制界面，嵌入式Web网关不需再获取终端设备的设备出厂信息。

实施例： 

如图1所示，模块10嵌入式Web网关主要包括以下单元：

(1)网卡接口11:通过ISA总线与ARM微处理器连接，实现网卡和网络电缆的物理连接，系统工作时，嵌入式Web网关通过网卡接口连接到互联网，计算机通过互联网访问嵌入式Web网关。

(2)ZigBee协调器模块12：通过串行接口与ARM微处理器连接，负责建立ZigBee网络，分配加入成员的网络地址，维护节点的绑定关系表，一方面将终端设备上发的物理地址、设备出厂信息等数据发送给嵌入式Web网关中的嵌入式Web服务器，另一方面将嵌入式Web服务器下发的操作指令发送给指定终端设备。 

(3)ARM微处理器13：功能强大的微处理器芯片，能更好地处理终端设备上发的数据；将BOA移植到运行Linux操作系统的ARM芯片上，建立嵌入式Web服务器。 

(4)Flash 14：通过通用闪存接口CFI与ARM微处理器连接，主要担当BootLoader、内核、文件系统、用户软件代码、常量等代码数据的存储。 

(5)SDRAM 15：通过数据、地址和控制三总线与ARM微处理器连接，暂时存放ARM芯片中的处理数据。 

(6)时钟电路16：包括各模块电路所需的晶振电路，为系统运行提供时钟信号。 

(7)电源电路17：由稳压芯片组成电源电路，负责为各系统模块供电。 

(8)终端设备18：终端设备在加入ZigBee网络后，上发物理地址、设备出厂信息等数据给ZigBee协调器模块，接收网关指令，执行控制指令，上传设备运行状态及环境参数数据。 

(9)串口线路19：ZigBee协调器模块与ARM芯片的连接线。ARM芯片上的嵌入式Web服务器下发操作指令给ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块向ARM芯片发送终端设备上传的数据信息。 

(10)ISA总线110：网卡接口与ARM芯片的连接线。 

(11)互联网111：计算机的连网方式，计算机通过互联网远程访问嵌入式Web网关。 

(12)计算机112：运行浏览器软件，对家电进行远程查询和控制。 

如图2，为本实用新型中的终端设备组成模块图，具体包括以下模块： 

(1)无线单片机21：终端设备收到查询指令后，无线单片机采样传感器模块的模拟电压，通过内部ADC模数转换器进行量化；终端设备收到控制指令后，无线单片机解析命令，通过I/O口使能设备控制模块执行相应操作。

(2)射频电路22：与无线单片机的差分射频端口、收发切换端口连接，负责无线数据的收发。 

(3)设备控制模块23：与无线单片机的I/O端口连接，接收无线单片机发送的I/O使能信号，实现对家电的控制。 

(4)时钟电路24：由晶振电路组成，为终端设备运行提供时钟信号。 

(5)传感器模块25：与无线单片机的ADC端口连接，采集环境参数，输出模拟电压给无线芯片的ADC进行模数转换，再根据量化值与环境参数的对应关系，得到环境参数数值。 

(6)采样线路26：传感器模块与无线单片机的连接线。将传感器模块输出的模拟电压信号传送至无线单片机的ADC引脚。 

(7)I/O信号线27：无线单片机与设备控制模块的连接线。 

如图3，为本实用新型中的嵌入式Web服务器的功能实现图，具体流程如下： 

(1)ZigBee协调器模块31初始化，激活并建立一个新网络，终端设备加入后上传物理地址、设备出厂信息给ZigBee协调器模块。

(2)通过CGI 32从设备出厂信息中获取页面生成关键信息并进行处理，自动生成家电控制页面。 

(3)计算机运行浏览器33远程访问嵌入式Web网关，在BOA服务器34上获取家电控制页面。 

如图4，为本实用新型中终端设备工作流程图。流程图步骤如下： 

(1)上电后，系统初始化41，激活后搜索到网络，申请加入网络42。

(2)先判断是否成功加入43，根据是否成功加入判断终端设备应该进入什么状态。如果成功加入则进入查询是否有本终端设备的操作指令44，如果未加入成功则继续申请加入网络42. 

(3)查询是否有本终端设备的操作指令44，若有则进入是否查询指令45，若没有则进入休眠状态410。

(4)判断是否查询指令45，若是则使能传感器模块采集数据47，采集完后将环境参数数据和终端设备运行状态上传给ZigBee协调器模块48，进入休眠状态410；若否则使能设备控制模块供电，将控制指令发送给设备控制模块并等待执行完毕46，执行完毕后将反馈信息上发给ZigBee协调器模块49，进入休眠状态410。 

(5)进入休眠状态410后，事先设定定时器时间，进行定时器唤醒411，终端设备醒来后向协调器查询是否有终端设备的操作指令44，进入第(3)步。 

Claims (4)

1.基于ZigBee和页面生成的智能家电系统，其特征是，该系统包括计算机、嵌入式Web网关和多个终端设备；计算机通过互联网与嵌入式Web网关连接，嵌入式Web网关与多个终端设备采用ZigBee协议实现无线连接。

2.根据权利要求1所述的智能家电系统，其特征在于嵌入式Web网关包括ARM微处理器、Flash、SDRAM、时钟电路、电源电路、网卡接口和ZigBee协调器模块；Flash通过通用闪存接口CFI与ARM微处理器连接；SDRAM通过数据、地址和控制三总线与ARM微处理器连接；网卡接口通过ISA总线与ARM微处理器连接；ZigBee协调器模块通过串行接口与ARM微处理器连接。

3.根据权利要求1所述的智能家电系统，其特征在于嵌入式Web网关中的ZigBee协调器模块与终端设备共同组成ZigBee无线网络。

4.根据权利要求1~3任一项所述的智能家电系统，其特征在于终端设备包括无线单片机、射频电路、传感器模块、设备控制模块和时钟电路；无线单片机通过差分射频端口、收发切换端口与射频电路连接；无线单片机通过ADC端口与传感器模块连接；无线单片机通过I/O端口与设备控制模块连接。

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