CN204347544U - 一种基于Z-Wave网关的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及通信技术领域，公开了一种基于Z-Wave网关的控制系统。在本实用新型中，该控制系统包含：采集终端节点、网络、Z-Wave网关、以太网、云服务器、互联网和智能终端；采集终端节点通过网络与Z-Wave网关相连，Z-Wave网关通过以太网与云服务器相连，云服务器通过互联网与智能终端连接；其中，Z-Wave网关包含Z-Wave无线通信模块和应用处理器，Z-Wave无线通信模块通过UART串口与应用处理器串接在一起。采用上述基于Z-Wave网关的控制系统，不仅能实现对家庭、办公室等的实时监控，还能够提供安全报警、进行远程控制等服务，且具有安全性高、传输距离长、抗干扰能力和稳定性强等优点。

Description

一种基于Z-Wave网关的控制系统

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，特别涉及一种基于Z-Wave网关的控制系统。

背景技术

近年来，各种无线通信技术迅猛发展，广泛应用在公路收费站系统、停车场系统、自动化生产部门、门禁系统、工厂集中监控等领域，极大地提高了人们的工作效率和生活质量。其中，短距离无线通信技术因具有低功耗、低成本、抗雷击、分布式和自组织的特点，而倍受青睐，被广泛地应用在智能家居、安防和室内定位中，为用户提供舒适宜人的家庭生活空间，带来最大程度的高效、便利和安全。然而，随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资源紧张，干扰繁多，直接影响到了Zigbee技术、WiFi技术、Bluetooth(蓝牙)技术等短距离无线通信技术在产品中的传输表现，将上述技术应用在智能家居、安防和室内定位中存在着安全性低、传输距离短、抗干扰能力弱、或稳定性差等缺陷，不利于产品性能的表现。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于Z-Wave网关的控制系统，利用该控制系统能够实现对家庭、办公室等实时监控和远程管理，具有安全性高、传输距离长、抗干扰能力和稳定性强等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种基于Z-Wave网关的控制系统，包含：采集终端节点、网络、Z-Wave网关、以太网、云 服务器、互联网和智能终端；采集终端节点通过网络与Z-Wave网关相连；Z-Wave网关通过以太网与云服务器相连；云服务器通过互联网与智能终端连接；其中，Z-Wave网关包含Z-Wave无线通信模块和应用处理器，Z-Wave无线通信模块通过UART串口与应用处理器串接在一起。

本实用新型相对于现有技术而言，采集终端节点是通过网络与Z-Wave网关相连，使得采集终端节点采集的信息能够通过Z-Wave网关最终传输到云服务器以及智能终端中，由于该控制系统工作在868MHz频率条件下，抗干扰能力强，且当发射功率足够大时，能够实现长距离的传输，具有安全性高、传输距离长、抗干扰能力和稳定性强等特点；而且，由于采集终端节点的数量较多，与Z-Wave网关的距离较长，因此在Z-Wave网关中，使用UART串口连接Z-Wave无线通信模块和应用处理器，速度较快，最高可达100K左右，能够保证采集终端节点与Z-Wave网关的通信质量；再者，采用云服务器和智能终端可以实现对家庭、办公室等的便利监控，当事故发生时，能够及时报警通知用户，进行远程管理和控制，为用户提供良好的体验，同时节省人力物力资源。

另外，Z-Wave网关还包含以太网控制芯片、Flash闪存存储器、双倍速率同步动态随机存储器DDR和RJ45接口；应用处理器通过RMII接口与以太网控制芯片相连，Flash闪存存储器和DDR与应用处理器相连，RJ45接口与以太网控制芯片相连。其中，RMII为标准的以太网接口，用于连接应用处理器和以太网控制芯片，以实现以太网包在上述两者之间的传输。RJ45接口为以太网接口，以太网协议格式的数据经由以太网控制芯片通过RJ45接口传送到后方，外接Flash闪存存储器和DDR主要是用来防止掉电后丢失用户重要数据、信息等。利用上述Z-Wave网关能够实现数据协议格式的转换以及传输，从而实现利用控制系统进行稳定的长距离无线通信以及远程监控和管理。

另外，Z-Wave无线通信模块为ZM4101模块或ZM5101模块，以太网 控制芯片为以太网控制芯片DP83848。这里选取了可以工作于868MHz频段的ZM4101模块或ZM5101模块和低功耗的10/100单端口物理层的以太网控制芯片DP83848。利用Z-Wave无线通信模块对接收到的数据进行解析处理，并传送给应用处理器，应用处理器对解析数据按以太网传输格式要求进行再打包处理，并控制其通过以太网控制芯片DP83848传输，经由以太网接口RJ45发送到云服务器。采用上述元器件组成的Z-Wave网关，能够有效实现速度快、传输距离长的无线数据传输，提供良好的用户体验。

另外，智能终端为智能手机或平板电脑。使用智能终端不仅能够对家庭或办公室等进行监控，并能在接收到安全警报时，及时地采取措施，进行远程控制和管理。

另外，采集终端节点包含N个传感器，N为自然数。利用传感器对应用环境中的数据进行采集，经过预处理转换为Z-Wave协议格式的数据，并通过网络传送给Z-Wave网关，使得网络通信的安全性得到提高、稳定性得到增强。

另外，传感器为烟雾传感器、红外传感器或门磁传感器。使用其中任意一种传感器，设于任意位置，均可以对应用环境中的数据进行采集，如烟雾传感器可以探测烟雾浓度、红外传感器能够探测有无人员非法入侵和门磁传感器可以用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动，从而实现对家庭、办公室等的实时监控。

另外，采集终端节点包含N个采集设备，N为自然数；其中，每个采集设备包含至少三个传感器。N个采集设备通过网络与Z-Wave网关进行连接，将采集到的数据通过网络传送给Z-Wave网关进行处理。

另外，每个采集设备至少包含的三个传感器为：烟雾传感器、红外传感器和门磁传感器。由于基于Z-Wave网关的控制系统具有远程传输的特性，因此将上述三个传感器结合在一起，设于一个采集设备内，能实现对任意地 点的较为全面的数据采集，尤其能够保证远程监控的准确度，比如通过同一个采集设备采集到了红外传感器、门磁传感器的异常信号，在远程端即可触发报警，提高了报警准确率，更有效、准确地实现对家庭、办公室等场所的全方位监控，以便在发生火灾或非法入侵时进行实时有效处理。

附图说明

图1是根据本实用新型第一实施方式的一种基于Z-Wave网关的控制系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型第一实施方式的Z-Wave网关的结构示意图；

图3是根据本实用新型第一实施方式的ZM4101模块的结构示意图；

图4是根据实用新型第一实施方式的SPEAR320芯片的系统连接结构示意图；

图5是根据本实用新型第二实施方式的一种基于Z-Wave网关的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本实用新型的第一实施方式涉及一种基于Z-Wave网关的控制系统，具体结构如图1所示。该Z-Wave协议控制系统包含：采集终端节点1、Z-Wave网络2、Z-Wave网关3、以太网4、云服务器5、互联网6和智能终端7， 采集终端节点1通过Z-Wave网络2与Z-Wave网关3相连，Z-Wave网关3通过以太网4与云服务器5相连；云服务器5通过互联网6与智能终端7连接。其中Z-Wave网关的具体结构如图2所示，包含Z-Wave无线通信模块301、应用处理器302、以太网控制芯片303、Flash闪存存储器304、DDR 305和RJ45接口306。Z-Wave无线通信模块301通过UART串口与应用处理器302串接在一起，应用处理器302通过RMII接口与以太网控制芯片303相连，Flash闪存存储器304和DDR 305与应用处理器302相连，RJ45接口306与以太网控制芯片303相连。采集终端节点1采集应用环境中的数据，并将采集到的数据进行预处理形成Z-Wave协议格式的数据，通过Z-Wave网络2传送给Z-Wave网关3，接收数据经由Z-Wave无线通信模块301解析处理后被传送到应用处理器302，应用处理器302按以太网网络传输的要求对解析数据进行再打包处理，并控制打包数据通过以太网控制芯片303连接到RJ45以太网接口306发送到云服务器5，云服务器5对接收到的以太网格式的数据进行存储和分析，并通过互联网6与智能终端7进行连接，实现智能终端7的管理和远程控制。采用上述控制系统能够实现对家庭、办公室等的实时监控，并能够在事故发生时进行及时的远程控制和管理，显著增强安全性、增加传输距离、提高抗干扰能力和稳定性。

值得说明的是，现有技术多使用WiFi、Zigbee、Bluetooth(蓝牙)等工作于2.4GHz的无线通信技术，所形成的2.4G设备的信号存在传输距离短、传输过程衰减大、信号穿透、绕射能力弱等局限性，尤其是在巷道中传输时，信号传输的实际距离会大大缩短、信号会变得很弱甚至接收不到。而本实施方式采用的是基于Z-Wave网关的控制系统，工作于868MHz频率条件下，其中，868MHz是免申请段发射接收频率，可直接使用不需要管理，且其抗干扰能力强、穿透、绕射能力好、支持各种点对点和一点对多点的无线数据通讯方式，并且只要发射功率足够大，就可以进行长距离传输，传输过程信号衰减较小，利用基于该短距离无线通信技术的控制系统能够为用户提供良 好的体验，实现对家庭、办公室等的实时监控和远程管理，节省人力物力资源，且具有安全性高、传输距离长、抗干扰能力和稳定性强等优点。

另外，在本实施方式中，采用了适用于868MHz频段的ZM4101模块或ZM5101模块作为Z-Wave无线通信模块，这里以ZM4101模块为例进行说明。ZM4101模块上集成了一个高性能的RF射频收发器核心和一个高性能、低功耗的单周期8051微控制器核心，芯片内具有32个GPIO、2个UART接口、2个SPI接口、4-ch 12-bit ADC、1个USB2.0接口和可编程看门狗计时器，拥有2个定时器以及随机数发生器；嵌入式128位AES安全协处理器和强大的DMA功能等。芯片具体内部结构如图3所示，工作电压为2.1V～3.6V。将该模块应用在868MHz频段下，所得射频信号的绕射能力较强，有效增加了传输距离，且ZM4101模块带数字化LQI，支持自动调频，可以有效避免同一环境现场的其他射频干扰，提高整个系统的鲁棒性和可靠性，提供了更多的应用可能性。

另外，应用处理器可以为SPEAR320、MCIMX283CVM4B、AM3352、LPC3240、STM32F103、STM32F107、STM32F205、STM32F207、MT7620A、MT7620N、RTL8196D、RTL8196E、RTL8196EU、S3C2416、S3C6440或S5P6442等各种型号的应用处理器。在本实施方式中，以SPEAR320应用处理器为例进行说明。SPEAR320应用处理器是基于高性能、低功耗特性的ARM926EJ-S内核，具有强大数据运算处理能力的处理器，最高主频可达到333MHz。该处理器的具体结构如图4所示，包含时钟接口Clock，Power接口—用以连接集成电源，EMAC(RMII)和MDIO—用于连接以太网控制芯片DP83848，I2C0用以实现同步串行数据传输、GPIO和UART4接口用以连接ZM4101模块，UART0用来串接USB转换线驱动，DDR IF和GPMC接口分别用来连接256Mbytes DDR和256Mbytes闪存存储器。在该应用处理器中，由于可编程实时单元和工业用通信子系统从ARM926EJ-S内核分离，能够实现更大效率和灵活性的独立运行和时钟控制；又因为该通信子系 统支持附加外设接口，能够串行实时通信协议的实时协议和其它协议。在本实施方式的控制系统中，SPEAR320应用处理器通过UART串口与ZM4101模块串接在一起，最高可实现100K左右的速度，可以用作长距离通信，且具有低功耗、稳定性好、传输距离长等优点。

另外，以太网控制芯片为DP83848控制芯片，该芯片是一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10/100Mbps单路物理层器件，它支持RMII接口、10BASE～T和100BASE～TX以太网外设，因此，将该芯片应用到本实施方式的Z-Wave网关中，使得该芯片通过RMII标准以太网接口与应用处理器连接，减少了接口所需要的引脚数目，降低了系统功耗及成本；且由于DP83848芯片具有良好的兼容性和通用性，能够更好地适应工业控制和工厂自动化，以及通用嵌入式系统等应用场合。在上述Z-Wave网关中，以太网控制芯片DP83848通过RMII接口与应用处理器相连，应用处理器按以太网网络传输的要求对解析数据进行再打包处理，并控制其通过RMII接口向以太网控制芯片传输，经由以太网接口RJ45发送给云服务器。服务器用于对数据进行存储和分析，通过互联网发送到智能终端上，形成可用于远程控制、智能家居和安防的基于Z-Wave网关的控制系统，能够实现实时监控和管理，提供给良好的用户体验。

另外，采集终端节点包含N个传感器，N为自然数。其中，传感器为烟雾传感器、红外传感器或门磁传感器，利用其中一种传感器，可以实现探测烟雾浓度、有无人员非法入侵或门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动。当应用该控制系统时，可以根据实际情况选择合适数量的传感器，将其安装于需要进行监控的地方，传感器在现场应用环境中采集数据，经预处理形成Z-Wave协议格式的数据，并通过Z-Wave网络向Z-Wave网关传送，从而实现对应用环境的实时监控。

需要说明的是，在实际应用中，上述采集终端节点不限于红外传感器、烟雾传感器和门磁传感器，它包含任意支持Z-Wave协议的设备，如Z-Wave 智能窗帘、Z-Wave智能插座、Z-Wave智能灯泡等。

另外，智能终端为智能手机或平板电脑。智能终端上装载的相应APP程序通过互联网与云服务器相连，对家庭或办公室等进行监控，并能在火灾或非法入侵等事故发生时及时通知用户，进行实时有效的远程控制和管理，大大减少了监控所需的人力物力成本，提供更加良好的用户体验。

本实用新型的第二实施方式涉及一种基于Z-Wave网关的控制系统，具体装置结构如图5所示。第二实施方式与第一实施方式大体相同，主要区别在于：第一实施方式中的采集终端节点包含N个传感器，N为自然数，传感器为烟雾传感器、红外传感器或门磁传感器；而在本实施方式中，采集终端节点包含N个采集设备101，N为自然数；其中，每个采集设备101包含至少三个传感器；且每个采集设备101至少包含的三个传感器为：烟雾传感器、红外传感器和门磁传感器。在本实施方式中，将三种传感器结合在一起，置于一个采集设备101内，采集设备101可设为N个，根据实际情况，将采集设备101设于任意位置，可以实现对任意地点的更为全面的数据采集，当某个采集设备采集到大于或等于两个传感器的信号异常时，即可发送警报通知，从而保证远程监控的准确度。例如，在办公室里设置一个采集设备，该采集设备内包含烟雾传感器、红外传感器和门磁传感器，当通过该采集设备采集到了红外传感器、门磁传感器两个传感器的异常信号，可以确定有人非法入侵，在远程端即可触发报警，提高了报警准确率，能够更加有效地实现对家庭、办公室等地点的全方位监控，以便在发生火灾或非法入侵时进行实时有效处理，从而提供更好地用户体验。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和保护范围。

Claims (8)

1.一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，包含：采集终端节点、网络、Z-Wave网关、以太网、云服务器、互联网和智能终端；

所述采集终端节点通过所述网络与所述Z-Wave网关相连；

所述Z-Wave网关通过所述以太网与所述云服务器相连；

所述云服务器通过所述互联网与所述智能终端连接；

其中，所述Z-Wave网关包含Z-Wave无线通信模块和应用处理器，所述Z-Wave无线通信模块通过UART串口与所述应用处理器串接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述Z-Wave网关还包含以太网控制芯片、Flash闪存存储器、双倍速率同步动态随机存储器DDR和RJ45接口；

所述应用处理器通过RMII接口与所述以太网控制芯片相连，所述Flash闪存存储器和所述DDR均与所述应用处理器相连，所述RJ45接口与所述以太网控制芯片相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述Z-Wave无线通信模块为ZM4101模块或ZM5101模块，所述以太网控制芯片为以太网控制芯片DP83848。

4.根据权利要求1所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述智能终端为智能手机或平板电脑。

5.根据权利要求1所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述采集终端节点包含N个传感器，N为自然数。

6.根据权利要求5所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述传感器为烟雾传感器、红外传感器或门磁传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，所述采集终端节点包含N个采集设备，N为自然数；其中，每个采集设备包含至少三个传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于Z-Wave网关的控制系统，其特征在于，每个所述采集设备至少包含的三个传感器为：烟雾传感器、红外传感器和门磁传感器。