CN206710818U - 一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于智能家居领域，涉及一种智能家居控制系统，特别是一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，主体结构包括信息采集和设备控制模块、ZigBee无线传感网络、家居智能网关、RFID设备、云服务器和移动终端设备，所述信息采集和设备控制模块包括环境信息采集传感器和家居设备控制器，由ZigBee协调器节点、ZigBee路由器节点和ZigBee终端节点构成ZigBee三级树型无线传感网络，构成智能家居的网络骨架，由ZigBee网络对家居设备进行智能调控，并通过云服务器端能够存储并处理用户数据，对用户行为习惯进行深入挖掘，从而生成基于用户行为习惯的家居控制方案，并能够使室内的无线信号辐射保持较低水平，其主体结构简单，设计构思巧妙，应用环境友好，市场前景广阔。
Description
技术领域：
本实用新型属于智能家居领域，涉及一种智能家居控制系统，特别是一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统。
背景技术：
计算机技术和电子科技的迅猛发展，使人们的生活发生了翻天覆地的变化，在享受便捷体验的同时对于生活质量的要求也水涨船高，人们开始追求更加智能化的服务、个性化的体验。智能家居技术正是在这一社会背景下应运而生。智能家居就是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，能够给居住者提供智能、便捷的居住体验，同时能够提升家居的安全性、便利性、舒适性和艺术性，并且节能环保效果好。目前的智能家居控制技术一般采用将传感器或控制设备通过无线传感网络(Wireless SensorNetworks,WSN)集成到一起，然后通过手机等移动设备进行手动控制或预设好程式由系统根据传感器数据自动控制家居设备的方式，即只是将传统的手动开关设备变成电子控制按键或者较为死板的固定化控制(比如固定到某一时间开启窗帘等)，这样用户只能感受到智能家居的方便性，智能家居的“智慧性”发挥不足更不能达到用户的个性化追求。为了达到更好的控制效果，家庭内部铺设的WSN网络往往需要维持在一个较强信号强度，以达到信号有效收发的目的，这样就容易带来一定的电磁污染，长此以往对用户健康有一定损伤。申请号为201520184187.5的中国专利公布了一种基于ZigBee无线传感网络控制系统，包括智能家居网关、ZigBee无线传感网络、上位机管理配置端、移动终端，提供了一种家居与智能家居的实现方式，但较多还是停留在简单控制功能上，不能对用户行为数据进行深入挖掘，无法发挥智能家居的智慧性,并且其ZigBee网络采用简单的星型网络拓扑结构，所有ZigBee控制节点设备全部连在同一个ZigBee协调器节点上，将限制ZigBee协调器工作效率，同时较远节点为了有效通信必须要增加发射功率，造成室内无线信号整体较强。因此，涉及一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，能够根据用户行为实现家居智能调控，同时成本低廉、安装方便、易扩展、安全健康。
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缺点，寻求设计一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，由ZigBee协调器节点、ZigBee路由器节点和ZigBee终端节点构成ZigBee三级树型无线传感网络，构成智能家居的网络骨架；云服务器端能够存储并处理用户数据，对用户行为习惯进行深入挖掘，从而生成基于用户行为习惯的家居控制方案，并能够使室内的无线信号辐射保持较低水平。
为了实现上述目的，本实用新型涉及的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统的主体结构包括：信息采集和设备控制模块、ZigBee无线传感网络、家居智能网关、RFID设备、云服务器和移动终端设备，所述信息采集和设备控制模块包括环境信息采集传感器和家居设备控制器，所述环境信息采集传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、人体红外传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器、可燃气体浓度传感器和烟雾传感器；所述家居设备控制器包括但不限于窗帘控制器、插座控制器、加湿器控制器、换风装置控制器、空气净化器控制器、灯光控制器、背景音乐控制器、声光报警设备、空调和电视机ZigBee转红外信号控制模块；所述ZigBee无线传感网络包括ZigBee终端节点、ZigBee路由器节点进和ZigBee协调器节点；所述家居智能网关包括LCD显示模块、WIFI模块、RFID模块、蓝牙模块和ARM嵌入式微处理器；所述ZigBee协调器节点、WIFI模块、RFID模块、LCD显示模块与ARM嵌入式微处理器通信连接。
所述各类环境信息采集传感器、家居设备控制器和ZigBee转红外控制模块与ZigBee终端节点或ZigBee路由器节点相连并通过ZigBee无线传感网络相互通信；所述ZigBee协调器节点与ZigBee路由器节点通信连接，ZigBee路由器节点与ZigBee终端节点通信连接，构成ZigBee三级树型无线传感网络，构成智能家居的网络骨架，缩短相互之间的通信距离，减小电磁污染。
所述ZigBee协调器节点安装于整个居住房屋的靠近中心位置处，并通过串口与ARM嵌入式微处理器相连；用以对整个智能家居网络进行监听与控制，每一房间和客厅内均置有ZigBee路由器节点，ZigBee路由器节点则与对应房间或客厅内的ZigBee终端节点设备相互通信，ZigBee无线传感网络在自组网过程中会首先发出网络寻找命令，查找最佳入网节点接入，而位置越近的ZigBee路由器节点或ZigBee协调器节点的信号衰减最小，因此会被选为最佳入网节点，该布局方式充分利用了ZigBee网络的这一特性，在每个房间内置有ZigBee路由器节点供信息采集和设备控制模块中的所述终端设备连接入网，缩短通信距离，以降低发射功率需求，更加节能环保的同时能够有效降低室内无线信号强度。
所述ZigBee路由器节点、ZigBee协调器节点比ZigBee终端节点设备多了路由转发或控制功能，上述功能完全由程序代码实现，故上述三种节点均可采用同一种ZigBee芯片，三者同样都可直接连接多个传感器或控制器实施控制，故所述ZigBee路由器节点和ZigBee协调器节点仅是用以选出合适位置的一些ZigBee芯片设备使其兼具组网路由器、协调器功能，不必单独铺设设备，能够节约成本。
所述ZigBee三种节点中的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，拥有丰富的端口并能够同时连接控制多个设备，同时具有良好的扩展性，所述CC2530芯片与就近的信息采集和设备控制模块中的传感器或设备控制器通信连接并进行信息传输，并将多个传感器或设备控制器的信息或控制命令通过一个无线数据包传递，用以降低室内无线信号辐射，所述CC2530芯片采用IAR Embedded Workbench进行芯片功能编写与交叉编译。
所述ZigBee终端节点设置定时启动命令，平常处于休眠状态，能够周期性唤醒对环境信息采集传感器和家居设备控制器进行信息采集。
所述云服务器通过Internet与家居智能网关相连，用以通过Internet网络将信息采集和设备控制模块采集的信息传至云服务器；
所述RFID模块与RFID设备通信连接并控制RFID设备的读写；RFID设备安装于门口处，并与RFID模块构成家庭门禁系统，当开锁时RFID设备读取用户钥匙上配备的RFID标签信息，若无RFID信息或RFID信息错误，则上传信息至家居智能网关，由其发送警报信息到控制室内声光报警设备，读取信息准确则验证信息通过后进入室内，用以防止窃贼进入。
所述LCD显示模块用以进行包括时间、温度湿度、CO2和PM2.5信息的显示；
所述移动终端设备通过Internet/3G/4G网络与云服务器通信连接，通过但不限于蓝牙/WIFI/3G/4G网络与家居智能网关中的WIFI模块和蓝牙模块通信连接，用以将移动终端设备接入家居智能网关中，用以通过移动终端设备控制整个智能家居控制系统。
所述ARM嵌入式微处理器采用Context A8芯片，在其上搭载Andriod或Linux嵌入式操作系统完成家居家居智能网关功能，并通过串口与ZigBee协调器节点相连来控制整个智能家居网络；
所述ZigBee协调器节点的具体工作方式如下，ZigBee协调器节点首先完成上电初始化后开始创建ZigBee网络，包括规定网络标识号、信道选择；接着ZigBee协调器节按照基于事件的轮询机制进行工作，当收到ZigBee终端节点发来的数据包后，查看是否为入网请求申请，若是则为其分配网络地址；若不是则处理相应数据信息，将数据通过串口上传至家居智能网关；当接收到家居智能网关从串口发来的指令后，对数据进行解析处理，发送相应控制指令到ZigBee终端或路由节点进行控制。
所述ZigBee路由器节点的具体工作方式如下，在其完成上电初始化后首先搜索ZigBee网络请求加入，加入成功后按照事件轮询机制进行工作：当本ZigBee路由器节点所接传感器或控制器等有任务需要处理时进行事务处理；当接收到ZigBee终端节点发来的入网请求后，将其转发至ZigBee协调器节点由ZigBee协调器节点分配网络地址，然后该ZigBee路由器节点将网络地址信息转发至ZigBee终端节点完成入网操作。
所述ZigBee终端节点的具体工作方式如下，ZigBee终端节点完成上电初始化后，基于信号强度选择最近最优入网节点，向其发出入网申请，等待网络地址分配完成后即加入网络，构成型三级ZigBee网络，然后对本节点承担的任务进行处理，处理完成后进入休眠状态，以节省电源，经新任务触发或预定休眠时间结束后被唤醒进行新一轮任务处理；ZigBee终端节点能够定时或者不定时进入休眠状态，用于信息采集和周期性控制设备的直接接入控制；而ZigBee路由器节点由于其承担网络功能，需要始终处于工作状态，能够在ZigBee路由器节点上连接时间因素不可控或需要实时控制的设备，能够更加合理灵活控制智能家居各设备工作。
所述移动终端设备的具体工作方式如下，移动终端设备通过但不限于微信/网页/app方式接入本实用新型所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，登录后首先对用户身份进行验证，确认安全后进入该系统主控制页面进行功能模式选择与设置：1、自动模式，该模式下智能家居系统通过用户设定或系统预定义的参数阈值进行自动控制，用户能够查看当前环境状态及设备控制信息，也能够修改控制参数；2、手动模式，该模式下用户能够通过手动控制家庭内部各设备运转，还能够查看到室内环境信息及当前设备运转状态，通过进入各子系统控制模块进行手动控制操作，包括但不限于控制电灯开关、电视机换台、空调温度控制；3、个性化模式：该模式是基于云计算，采用数据挖掘算法统计并挖掘用户行为数据，根据用户行为习惯而生成的一系列控制参数，如用户对空气干湿程度、温度高低、光照强弱等环境的个性化需求，是一个真正属于用户自己的个性化智慧型的智能家居控制，同时用户能够在该模式下发现自身的一些隐性行为习惯；4、健康专家模式，该模式下有用户行为数据，也有专门领域专家建议的生活参数指标，用户能够对比发现自己的某些不良生活习惯，通过该模式下同意优化建议的设定，能够由系统生成逐步向专家级生活建议靠拢的家居控制，如若用户习惯性睡眠过晚便能够通过周期性调整卧室睡眠声光控制子系统渐进纠正睡眠时间，使用户在不知不觉中改掉过晚睡眠的不良生活习惯。
本实用新型中，云服务器采用Hadoop架构进行开发设计，并综合运用数据仓库技术、数据挖掘技术，对智能家居系统的环境信息、控制信息、用户行为信息等进行分析挖掘，进而预测用户行为，并依此生成控制命令对家居设备实现智能化控制。
本实用新型具有良好的可扩展性，能够根据家庭需要增加无线节点数量，用户在开启设备后，后续设备将自动完成组网。
所述的基于位置信息的分配方式如下，利用CC2530芯片具有多接口的特点，将就近的环境信息采集传感器和家居设备控制器集成到一起，组合向ZigBee路由器节点发送数据信息；将置于客厅中的人体红外传感器、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器集成用一个CC2530芯片采集信息，经客厅ZigBee路由器节点转发至位于家居智能网关的ZigBee协调器节点，进而通过串口输入ARM嵌入式处理器，完成信息采集；经由ARM芯片处理后的数据一方面输出显示到LCD显示器上，显示当前家庭环境信息状态，另一方面将相应环境调节处理信息向下传输至ZigBee终端节点，控制相应设备开关或调节，达到环境状态改善的目的，完成调节控制过程。
所述温度与湿度调节方式如下，ZigBee终端节点每半小时启动一次采样房间内温度和湿度信息，经由CC2530芯片进行A/D数据转换、协议包发送，经由ZigBee路由器节点发送到家居智能网关中的ZigBee解调器节点，经其协议解析后通过串口上传数据给ARM芯片，ARM芯片将当前温度、湿度值以数字形式直观展现在LCD显示模块上，同时，与预设值进行对比，若温度过高或过低则发送空调控制指令到ZigBee路由器节点，通过ZigBee转红外控制模块，调节空调进行温度升降调节；若湿度超过预设值最高值，则同样方式启动空调除湿，若湿度值低于预设值最低值，则下传加湿器启动命令经由ZigBee路由器节点至ZigBee终端节点，通过控制继电器开关启动加湿器增加空气湿度。
所述光照度调节方法如下，光照度传感器检测室内光线明暗强度，在LCD显示模块上进行显示，提前预设将光照强度为若干个等级，对比当前光照强度，进行灯光明暗的分级调控，在光照强度稍弱的情况下，控制增加光照，在夜晚控制灯光逐步打开，给人最佳光照体验；同时能够设置情景模式，包括但不限于在浪漫模式时，将灯光调暗或控制其进行明暗变化再加之背景音乐控制，营造浪漫氛围。
所述CO2、粉尘和PM2.5浓度的调节方法为：当CO2浓度传感器检测到环境CO2浓度过高时，控制LCD显示实时浓度信息并控制开启换风装置，当粉尘浓度传感器或PM2.5传感器检测到粉尘浓度过高或PM2.5值过高时，于LCD显示模块显示并控制启动空气净化器。
所述ZigBee转红外模块，具有红外信息学习功能，能够方便录入家居红外设备红外码信息，进而通过移动设备能够方便控制电视机或者空调，本实用新型中红外码的获取，可通过从厂家直接获取存于云服务器数据库或家居智能网关存储器中，或将ZigBee转红外模块调为学习模式，将遥控器对准该模块，通过遥控器按键将每个红外码逐个录入，能够省去家中众多遥控器的烦恼，只一部移动设备就能够方便管理所有红外终端，并且不受红外信号直线传输与近距离传输的约束，能够在到家之前直接控制红外终端。
本实用新型涉及的卧室布局如下，将光照度传感器、窗帘控制器、灯光控制器连接到卧室内同一个ZigBee终端节点的CC2530芯片中，将背景音乐控制连接到ZigBee路由器节点中；基于卧室特殊环境需求，设置有如下功能，设置有叫醒功能、提醒睡眠功能与起夜模式，用户设定起床时间，到时间系统自动打开窗帘增加室内光照，并开启柔和背景音乐唤醒；夜晚用户预设最晚睡眠时间或采用系统预设健康休息模式，到规定时间系统对房间光照度进行取样若发现未关灯，能够判断用户尚未休息，通过控制灯光闪烁与柔和背景语音提醒用户注意健康睡眠；床周围铺设压力传感器，当夜晚检测到有压力数据传来时，判断为用户起夜，此时系统控制开启较微弱灯光为用户提供贴心照明服务。
本实用新型涉及的厨房的部分布局如下，当检测到厨房内检测到有大量烟雾或可燃气体浓度超过阈值时，判断为意外发生，将启动声光报警提醒，并及时切断厨房内的一切电源插座，防止二次意外发生。
所述每个房间内安装人体红外传感器，当探测到房间内持续半小时无人时，家居智能网关可控制该房间内照明灯以及其他不需要的设备暂时关闭，当检测到有人进入时，再开启，以达到进一步节能环保目的。
所述在每一位家庭成员钥匙上配备RFID标签，当其开门时，通过旁边嵌入与门侧墙体内的RFID设备读取RFID标签内的信息，若是本家庭成员则允许通过，若检查无RFID信息或RFID信息错误，则上传信息至家居智能网关，由其发送警报信息到控制室内声光报警设备吓退歹人，同时发送警报信息至用户移动终端设备提醒注意。
本实用新型能够通过云计算与数据挖掘技术，分析用户行为习惯，生成宜居的个性化家居控制方案，通过Internet传输至家居智能网关实现更高层次智能家居管理，具体运行和处理过程按照如下步骤进行：
1、由各传感器和控制器采集智能家居控制系统内用户的身份信息、用户行为信息、环境信息、设备控制信息、室内设备布局信息、时间信息等数据，暂时存放于家居智能网关中并由其进行数据集成，包括但不限于某一家庭成员回家时门禁处的RFID设备读出其身份信息，随后跟踪记录其行为数据，包括但不限于到家时间、进门后开关灯顺序、有无开关窗帘、有无开加湿器、设定空调温度高低、谁否开电视机、收看哪一频道、是否开背景音乐、选择哪一类型音乐、睡眠时间、起床时间、离家时间，得到用户的行为数据；
2、结合由步骤1中各传感器和控制器采集到的环境时时数据和用户家庭内部各传感器、控制器的位置布局信息，全部传至家居智能网关中，由其进行信息汇总整合集成；这些汇总数据通过Internet上传至云服务器的数据库中储存；
3、云服务器将步骤2中数据进行提取、清理、变换、装入、刷新的预处理操作得到一系列多维度数据，并进行上钻、下卷、切片、切块的数据处理构建数据仓库；
4、采用频繁模式挖掘算法、关联规则挖掘算法、决策树算法的数据挖掘算法对数据仓库中的数据进行进一步分析、预测；
5、通过步骤4得到用户行为的预测数据，结合智能家居系统的室内ZigBee网络布局，生成最佳控制方案，所生成控制方案将通过Internet回传至家居智能网关，由其生成具体控制命令，通过串口传输给ZigBee协调器节点进而控制按照用户行为习惯控制家居设备，包括但不限于判断出某家庭成员工作日下班归家时间，提前15分钟将空调打开，控制加湿器到适宜湿度，控制窗帘打开，用户回家后依此打开客厅灯光，开启背景音乐，开启书房灯光，关闭书房灯光，开启电视机并自动调台，在其到达卧室前自动打开卧室灯光，用户睡眠时自动关闭灯光。
6、通过以上所述步骤对用户日常行为习惯进行数据挖掘，形成按照用户行为习惯的家居控制方案，使用者能够选择在云服务器中预先存放健康生活数据，由相应算法将数据挖据结果与健康生活数据结合进行微调，产生用户最佳健康生活管理引导方案，通过算法辅助缓慢逐步改变某些控制信息，使用户慢慢适应更健康的生活习惯，进而达到健康生活，包括但不限于检测到用户睡眠时间过晚，能够通过逐步提早睡眠提醒时间，让用户不知不觉中改掉晚睡的不良行为。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
1、各个无线节点按照室内具体环境布局采用三级树型网络拓扑结构，有效缩小设备间通信距离，能够最大限度降低无线信号收发功率，降低电磁污染，系统更加安全、成本更低、更加节能环保，并且ZigBee技术具有自组织、易扩展的特性，用户在有后续新功能需求时可随时扩展而无需更多操作，系统可自动完成组网控制功能；
2、将ZigBee无线传感网络、WIFI无线通信网络、ARM嵌入式系统、云计算技术、数据挖掘技术、移动设备控制有机结合为一个整体，形成一个方便、低功耗、低成本、易扩展、更加智慧型的智能家居控制系统；
3、采用云计算与数据挖掘技术，对用户行为数据进行深度挖掘，得出用户行为习惯数据并对用户行为进行预测，由此更新系统控制指令，为用户提供完全属于自己的个性化智能家居体验，实现更高层次的智慧管理；
4、采用CC2530芯片能够集中就近控制多个设备进一步减少无线数据包发送数量，减少健康不利因素；
5、采用为ZigBee终端节点设备设置定时启动命令，平常处于休眠状态，只周期性唤醒进行信息采集，进一步节省能源；
6、云计算和数据挖掘智技术方案，赋予智能家居更加安全化、健康化、便捷化的控制角色，结合数据挖掘技术更赋予其人性化“生活全能管家”身份，实时为用户提供细致周到的生活服务，让用户体验到实实在在的智慧生活；
7、采用云计算、数据仓库、数据挖掘等技术，具有很好的可扩展性，可将多个家庭的数据乃至整个城市的家庭数据进行综合采集分析，挖掘出更加深层次更加有意义的知识数据，为大型智慧城市建设铺路或者作为其构成的一部分；
8、其主体结构简单，设计构思巧妙，安装使用方便，同时应用环境友好，市场前景广阔。
附图说明：
图1是本实用新型的主体结构原理示意框图。
图2是本实用新型涉及的ZigBee节点位置布局原理示意图。
图3是本实用新型涉及的客厅各功能模块布局原理示意图。
图4是本实用新型涉及的卧室各功能模块布局原理示意图。
图5是本实用新型涉及的厨房功能模块布局原理示意图。
图6是本实用新型涉及的ZigBee协调器节点工作流程图。
图7是本实用新型涉及的ZigBee路由器节点工作流程图。
图8是本实用新型涉及的ZigBee终端节点工作流程图。
图9是本实用新型涉及的移动终端设备访问控制流程图。
图10是本实用新型涉及的系统数据挖掘与控制流程示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例涉及的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统的主体结构包括：信息采集和设备控制模块1、ZigBee无线传感网络2、家居智能网关3、RFID设备4、云服务器5和移动终端设备6，所述信息采集和设备控制模块1包括环境信息采集传感器和家居设备控制器，所述环境信息采集传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、人体红外传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器、可燃气体浓度传感器和烟雾传感器；所述家居设备控制器包括但不限于窗帘控制器、插座控制器、加湿器控制器、换风装置控制器、空气净化器控制器、灯光控制器、背景音乐控制器、声光报警设备、空调和电视机ZigBee转红外信号控制模块；所述ZigBee无线传感网络2包括ZigBee终端节点8、ZigBee路由器节点9、ZigBee协调器节点10；所述家居智能网关3包括LCD显示模块11、RFID模块12、ARM嵌入式微处理器13、蓝牙模块14和WIFI模块15；所述ZigBee协调器节点10、LCD显示模块11、RFID模块12、蓝牙模块14、WIFI模块15与ARM嵌入式微处理器13通信连接。
所述各类环境信息采集传感器、家居设备控制器和ZigBee转红外控制模块7与ZigBee终端节点8或ZigBee路由器节点9相连并通过ZigBee无线传感网络相互通信；所述ZigBee协调器节点10与ZigBee路由器节点9通信连接，ZigBee路由器节点9与ZigBee终端节点8通信连接，构成ZigBee三级树型无线传感网络，构成智能家居的网络骨架，缩短相互之间的通信距离，减小电磁污染。
所述ZigBee协调器节点10安装于整个居住房屋的靠近中心位置处，并通过串口与ARM嵌入式微处理器13相连；用以对整个智能家居网络进行监听与控制，每一房间和客厅内均置有ZigBee路由器节点9，ZigBee路由器节点9则与对应房间或客厅内的ZigBee终端节点8设备相互通信，ZigBee无线传感网络在自组网过程中会首先发出网络寻找命令，查找最佳入网节点接入，而位置越近的ZigBee路由器节点9或ZigBee协调器节点10的信号衰减最小，因此会被选为最佳入网节点，该布局方式充分利用了ZigBee网络的这一特性，在每个房间内置有ZigBee路由器节点9供信息采集和设备控制模块1中的所述终端设备连接入网，缩短通信距离，以降低发射功率需求，更加节能环保的同时能够有效降低室内无线信号强度。
所述ZigBee路由器节点9、ZigBee协调器节点10比ZigBee终端节点设备8多了路由转发或控制功能，此功能可完全由程序代码实现，故三种节点均可采用同一种ZigBee芯片，三者同样都能够用以直接连接多个传感器或控制器实施控制，故所述ZigBee路由器节点9和ZigBee协调器节点10仅是选出合适位置的一些ZigBee芯片设备使其兼具组网路由器、协调器功能，因此不必单独铺设设备，能够节约成本。
所述ZigBee三种节点中的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，其拥有丰富的端口能够同时连接控制多个设备，同时具有良好的扩展性，所述CC2530芯片与就近的信息采集和设备控制模块1中的传感器或设备控制器通信连接并进行信息传输，并将多个传感器或设备控制器的信息或控制命令通过一个无线数据包传递，用以降低室内无线信号辐射，所述CC2530芯片采用IAR Embedded Workbench进行芯片功能编写与交叉编译。
所述ZigBee终端节点8设置定时启动命令，平常处于休眠状态，能够周期性唤醒对环境信息采集传感器和家居设备控制器进行信息采集。
所述云服务器5通过Internet与家居智能网关3相连，用以通过Internet网络将信息采集和设备控制模块1采集的信息传至云服务器5。
所述RFID模块12与RFID设备4通信连接并控制RFID设备4的读写；RFID设备4安装于门口处，并与RFID模块12构成家庭门禁系统，当开锁时RFID设备读取用户钥匙上配备的RFID标签信息，若无RFID信息或RFID信息错误，则上传信息至家居智能网关3，由其发送警报信息到控制室内声光报警设备，读取信息准确则验证信息通过后进入室内，用以防止窃贼进入。
所述LCD显示模块11用以进行包括时间、温度湿度、CO2和PM2.5信息的显示。
所述移动终端设备6通过Internet/3G/4G网络与云服务器5通信连接，通过但不限于蓝牙/WIFI/3G/4G网络与家居智能网关中的WIFI模块15和蓝牙模块14通信连接，用以将移动终端设备6接入家居智能网关3中，用以通过移动终端设备6控制整个智能家居控制系统。
所述ARM嵌入式微处理器13采用Context A8芯片，在其上搭载Andriod或Linux嵌入式操作系统完成家居家居智能网关3功能，并通过串口与ZigBee协调器节点10相连来控制整个智能家居网络；
所述ZigBee协调器节点10的具体工作方式如下，如图6为所述ZigBee协调器节点10工作流程图，ZigBee协调器节点10首先完成上电初始化后开始创建ZigBee网络，包括规定网络标识号、信道选择；接着ZigBee协调器节按照基于事件的轮询机制进行工作，当收到ZigBee终端节点8发来的数据包后，查看是否为入网请求申请，若是则为其分配网络地址；若不是则处理相应数据信息，将数据通过串口上传至家居智能网关3；当接收到家居智能网关3从串口发来的指2后，对数据进行解析处理，发送相应控制指令到ZigBee终端或路由节点进行控制。
所述ZigBee路由器节点9的具体工作方式如下，如图7为所述ZigBee路由器节点9工作流程图，在其完成上电初始化后首先搜索ZigBee网络请求加入，加入成功后按照事件轮询机制进行工作：当本ZigBee路由器节点9所接传感器或控制器等有任务需要处理时进行事务处理；当接收到ZigBee终端节点8发来的入网请求后，将其转发至ZigBee协调器节点10由ZigBee协调器节点10分配网络地址，然后该ZigBee路由器节点9将网络地址信息转发至ZigBee终端节点8完成入网操作。
所述ZigBee终端节点8的具体工作方式如下，如图8为所述ZigBee终端节点8工作流程图，ZigBee终端节点8完成上电初始化后，基于信号强度选择最近最优入网节点，向其发出入网申请，等待网络地址分配完成后即加入网络，构成树型三级ZigBee网络，然后对本节点承担的任务进行处理，处理完成后进入休眠状态，以节省电源，经新任务触发或预定休眠时间结束后被唤醒进行新一轮任务处理；ZigBee终端节点8能够定时或者不定时进入休眠状态，用于信息采集和周期性控制设备的直接接入控制；而ZigBee路由器节点9由于其承担网络功能，需要始终处于工作状态，能够在ZigBee路由器节点9上连接时间因素不可控或需要实时控制的设备，能够更加合理灵活控制智能家居各设备工作。
所述移动终端设备6的具体工作方式如下，如图9为所述移动终端设备6的工作流程图，移动终端设备6通过但不限于微信/网页/app方式接入本实施例所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，登录后首先对用户身份进行验证，确认安全后进入该系统主控制页面进行功能模式选择与设置：1、自动模式，该模式下智能家居系统通过用户设定或系统预定义的参数阈值进行自动控制，用户能够查看当前环境状态及设备控制信息，也能够修改控制参数；2、手动模式，该模式下用户能够通过手动控制家庭内部各设备运转，还能够查看到室内环境信息及当前设备运转状态，通过进入各子系统控制模块进行手动控制操作，如控制电灯开关、电视机换台、空调温度控制等；3、个性化模式：该模式是基于云计算，采用数据挖掘算法统计并挖掘用户行为数据，根据用户行为习惯而生成的一系列控制参数，如用户对空气干湿程度、温度高低、光照强弱等环境的个性化需求，是一个真正属于用户自己的个性化智慧型的智能家居控制，同时用户能够在该模式下发现自身的一些隐性行为习惯；4、健康专家模式，该模式下有用户行为数据，也有专门领域专家建议的生活参数指标，用户能够对比发现自己的某些不良生活习惯，通过该模式下同意优化建议的设定，能够由系统生成逐步向专家级生活建议靠拢的家居控制，如若用户习惯性睡眠过晚便能够通过周期性调整卧室睡眠声光控制子系统渐进纠正睡眠时间，使用户在不知不觉中改掉过晚睡眠的不了生活习惯。
本实施例中，云服务器5采用Hadoop架构进行开发设计，并综合运用数据仓库技术、数据挖掘技术，对智能家居系统的环境信息、控制信息、用户行为信息等进行分析挖掘，进而预测用户行为，并依此生成控制命令对家居设备实现智能化控制。
本实施例具有良好的可扩展性，能够根据家庭需要增加无线节点数量，用户在开启设备后，后续设备将自动完成组网。
实施例2：
如图3所示，为本实施例的基于位置信息的一种分配方案，利用CC2530芯片具有多接口的特点，将就近的环境信息采集传感器和家居设备控制器集成到一起，组合向ZigBee路由器节点9发送数据信息；将置于客厅中的人体红外传感器温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器集成用一个CC2530芯片采集信息，经客厅ZigBee路由器节点9转发至位于家居智能网关3的ZigBee协调器节点10，进而通过串口输入ARM嵌入式处理器，完成信息采集；经由ARM芯片处理后的数据一方面输出显示到LCD显示器上，显示当前家庭环境信息状态，另一方面将相应环境调节处理信息向下传输至ZigBee终端节点8，控制相应设备开关或调节，达到环境状态改善的目的，完成调节控制过程。
所述温度与湿度调节方式为：ZigBee终端节点8每半小时启动一次采样房间内温度和湿度信息，经由CC2530芯片进行A/D数据转换、协议包发送，经由ZigBee路由器节点9发送到家居智能网关3中的ZigBee解调器节点，经其协议解析后通过串口上传数据给ARM芯片，ARM芯片将当前温度、湿度值以数字形式直观展现在LCD显示模块11上，同时，与预设值进行对比，若温度过高或过低则发送空调控制指令到ZigBee路由器节点924，通过ZigBee转红外控制模块7，调节空调进行温度升降调节；若湿度超过预设值最高值，则同样方式启动空调除湿，若湿度值低于预设值最低值，则下传加湿器启动命令经由ZigBee路由器节点9至ZigBee终端节点8，通过控制继电器开关启动加湿器增加空气湿度。
所述光照度调节方法为：光照度传感器检测室内光线明暗强度，在LCD显示模块11上进行显示，提前预设将光照强度为若干个等级，对比当前光照强度，进行灯光明暗的分级调控，包括但不限于在光照强度稍弱的情况下，控制增加光照，而到夜晚则控制灯光逐步打开，给人以最佳光照体验，同时能够设置情景模式，包括但不限于在浪漫模式时，将灯光调暗或控制其进行明暗变化再加之背景音乐控制，营造浪漫氛围。
所述CO2、粉尘和PM2.5浓度的调节方法为：当CO2浓度传感器检测到环境CO2浓度过高时，控制LCD显示实时浓度信息并控制开启换风装置，当粉尘浓度传感器或PM2.5传感器检测到粉尘浓度过高或PM2.5值过高时，于LCD显示模块11显示并控制启动空气净化器。
所述ZigBee转红外模块，具有红外信息学习功能，能够方便录入家居红外设备红外码信息，进而通过移动设备能够方便控制电视机或者空调，本实施例中红外码的获取，可通过从厂家直接获取存于云服务器5数据库或家居智能网关3存储器中，或将ZigBee转红外模块调为学习模式，将遥控器对准该模块，通过遥控器按键将每个红外码逐个录入，能够省去家中众多遥控器的烦恼，只一部移动设备就能够方便管理所有红外终端，并且不受红外信号直线传输与近距离传输的约束，能够在到家之前直接控制红外终端。
如图4所示，为本实施例涉及的卧室布局，将光照度传感器、窗帘控制器、灯光控制器连接到卧室内同一个ZigBee终端节点8的CC2530芯片中，将背景音乐控制连接到
ZigBee路由器节点9中，包含但不限于图中连接方式，网络通信及控制方式同实施例2中所述，基于卧室特殊环境需求，设置有如下功能，设置叫醒功能、提醒睡眠功能与起夜模式：用户设定起床时间，到时间系统自动打开窗帘增加室内光照，并开启柔和背景音乐唤醒；夜晚用户预设最晚睡眠时间或采用系统预设健康休息模式，到规定时间系统对房间光照度进行取样若发现未关灯，可判断用户尚未休息，通过控制灯光闪烁与柔和背景语音提醒用户注意健康睡眠；床周围铺设压力传感器，当夜晚检测到有压力数据传来时，判断为用户起夜，此时系统控制开启较微弱灯光为用户提供贴心照明服务。
如图5所示，为本实施例涉及的厨房的部分布局，当检测到厨房内检测到有大量烟雾或可燃气体浓度超过阈值时，判断为意外发生，将启动声光报警提醒，并及时切断厨房内的一切电源插座，防止二次意外发生。
在每个房间内安装人体红外传感器，当探测到房间内持续半小时无人时，家居智能网关3可控制该房间内照明灯以及其他不需要的设备暂时关闭，当检测到有人进入时，再开启，以达到进一步节能环保目的。
所述在每一位家庭成员钥匙上配备RFID标签，当其开门时，通过旁边嵌入与门侧墙体内的RFID设备4读取其内信息，若是本家庭成员则允许通过，若检查无RFID信息或RFID信息错误，则上传信息至家居智能网关3，由其发送警报信息到控制室内声光报警设备吓退歹人，同时发送警报信息至用户移动终端设备6提醒注意。
本实施例能够通过云计算与数据挖掘技术，分析用户行为习惯，生成宜居的个性化家居控制方案，通过Internet传输至家居智能网关，进而实现更高层次智能家居管理，具体运行和处理过程按照如下步骤进行：
1、如图10所示，由各传感器和控制器采集智能家居控制系统内用户的身份信息、用户行为信息、环境信息、设备控制信息、室内设备布局信息、时间信息等数据，暂时存放于家居智能网关3中并由其进行数据集成，如图10中过程A所示，如在某一家庭成员回家时，门禁处的RFID设备4读出其身份信息，随后跟踪记录其行为数据，包括但不限于到家时间、进门后开关灯顺序、有无开关窗帘、有无开加湿器、设定空调温度高低、谁否开电视机、收看哪一频道、是否开背景音乐、选择哪一类型音乐、睡眠时间、起床时间、离家时间，得到用户的行为数据；
2、结合由步骤1中各传感器和控制器采集到的环境时时数据和用户家庭内部各传感器、控制器的位置布局信息，全部传至家居智能网关3中，由其进行信息汇总整合集成；这些汇总数据通过Internet上传至云服务器5的数据库中储存，如过程B所示；
3、云服务器5将步骤2中数据进行提取、清理、变换、装入、刷新的预处理操作得到一系列多维度数据，并进行上钻、下卷、切片、切块的数据处理构建数据仓库，如过程C所示；
4、采用频繁模式挖掘算法、关联规则挖掘算法、决策树算法的数据挖掘算法对数据仓库中的数据进行进一步分析、预测，如过程D所示；
5、通过步骤4得到用户行为的预测数据，得到用户行为的预测数据，结合智能家居系统的室内ZigBee网络布局，生成最佳控制方案，如过程E所示，所生成控制方案将通过Internet回传至家居智能网关3，由其生成具体控制命令，通过串口传输给ZigBee协调器节点10进而控制按照用户行为习惯控制家居设备。例如，系统能够判断出某家庭成员工作日下班归家时间，提前15分钟将空调打开，控制加湿器到适宜湿度，控制窗帘打开，用户回家后依此打开客厅灯光，开启背景音乐，开启书房灯光，关闭书房灯光，开启电视机并自动调台，在其到达卧室前自动打开卧室灯光，用户睡眠时自动关闭灯光；
6、通过以上所述步骤对用户日常行为习惯进行数据挖掘，形成按照用户行为习惯的家居控制方案，使用者能够选择在云服务器5中预先存放健康生活数据，由相应算法将数据挖据结果与健康生活数据结合进行微调，产生用户最佳健康生活管理引导方案，通过算法辅助缓慢逐步改变某些控制信息，使用户慢慢适应更健康的生活习惯，进而达到健康生活，包括但不限于在检测到用户睡眠时间过晚时，能够通过逐步提早睡眠提醒时间，让用户不知不觉中改掉晚睡的不良行为。
Claims (6)
1.一种基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，其特征在于其主体结构包括：信息采集和设备控制模块、ZigBee无线传感网络、家居智能网关、RFID设备、云服务器和移动终端设备，所述信息采集和设备控制模块包括环境信息采集传感器和家居设备控制器，所述环境信息采集传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、人体红外传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器、可燃气体浓度传感器和烟雾传感器；所述家居设备控制器包括但不限于窗帘控制器、插座控制器、加湿器控制器、换风装置控制器、空气净化器控制器、灯光控制器、背景音乐控制器、声光报警设备、空调及和电视机ZigBee转红外信号控制模块；所述ZigBee无线传感网络包括ZigBee终端节点、ZigBee路由器节点、ZigBee协调器节点；所述家居智能网关包括LCD显示模块、WIFI模块、RFID模块、蓝牙模块和ARM嵌入式微处理器；所述ZigBee协调器节点、WIFI模块、RFID模块、LCD显示模块与ARM嵌入式微处理器通信连接；所述各类环境信息采集传感器、家居设备控制器和ZigBee转红外控制模块与ZigBee终端节点或ZigBee路由器节点相连并通过ZigBee无线传感网络相互通信；所述ZigBee协调器节点与ZigBee路由器节点通信连接，ZigBee路由器节点与ZigBee终端节点通信连接，构成ZigBee三级树型无线传感网络，构成智能家居的网络骨架。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，其特征在于所述ZigBee协调器节点安装于整个居住房屋的靠近中心位置处，并通过串口与ARM嵌入式微处理器相连；每一房间和客厅内均置有ZigBee路由器节点，ZigBee路由器节点则与对应房间或客厅内的ZigBee终端节点设备相互通信，在每个房间内置有ZigBee路由器节点。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，其特征在于所述ZigBee三种节点中的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，所述CC2530芯片与就近的环境信息采集传感器和设备控制器通信连接，并将多个传感器或设备控制器的信息或控制 命令通过一个无线数据包传递，所述CC2530芯片采用IAR Embedded Workbench进行芯片功能编写与交叉编译；基于位置信息的分配方式如下，将就近的环境信息采集传感器和家居设备控制器集成到一起，组合向ZigBee路由器节点发送数据信息；将置于客厅中的人体红外传感器、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5传感器集成用一个CC2530芯片采集信息。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，所述云服务器通过Internet与家居智能网关相连，所述RFID模块与RFID设备通信连接；RFID设备安装于门口处，并与RFID模块构成家庭门禁系统；所述LCD显示模块具有时间、温湿度、CO2、PM2.5信息的显示单元；所述移动终端设备通过Internet/3G/4G网络与云服务器通信连接，通过但不限于蓝牙/WIFI/3G/4G网络与家居智能网关中的WIFI模块和蓝牙模块通信连接；所述ARM嵌入式微处理器采用Context A8芯片，在其上搭载Andriod或Linux嵌入式操作系统，并通过串口与ZigBee协调器节点相连。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，其特征在于所述移动终端设备通过但不限于微信/网页/app方式接入本实用新型所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，所述该系统具有自动模式、手动模式、个性化模式和健康专家模式四种。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee和云计算的智能家居控制系统，其特征在于本实用新型涉及的卧室布局如下，将光照度传感器、窗帘控制器、灯光控制器连接到卧室内同一个ZigBee终端节点的CC2530芯片中，将背景音乐控制连接到ZigBee路由器节点中，基于卧室特殊环境需求，设置有如下功能，叫醒功能、提醒睡眠功能和起夜模式，床周围铺设压力传感器；本实用新型涉及的厨房中声光报警设备；在每个房间内安装人体红外传感器，并且房内的照明设备与家居智能网关通信连接；所述在每一位家庭成员钥匙上配备RFID贴片并与嵌入与门侧墙体内的RFID设备无线通信连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171205 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |