無線wifi模塊廠家以2.4G和ZigBee物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用智能家居控制，為了進(jìn)一步降低智能家居成本和功耗，提高智能家居的控制方式，設(shè)計(jì)了基于2.4G和ZigBee的智能家居系統(tǒng)。它包括云服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、2.4G的遠(yuǎn)程遙控節(jié)點(diǎn)和ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)等。它將節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)通過WiFi上傳到云服務(wù)器和手機(jī)App顯示，通過手機(jī)App或2.4G遙控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)安防，環(huán)境監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程遙控開關(guān)，智能燈光調(diào)節(jié)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種智能家居控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行，成本低，功耗低，開發(fā)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展容易推廣。由于靈活、便攜和較低的安裝成本，無線智能家居正逐漸流行起來。本文介紹了一種智能家居控制系統(tǒng)，它能方便地根據(jù)需要對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與控制，為人們提供一個(gè)安全、舒適、高效的生活環(huán)境。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于短距離、低功耗和低傳輸速率的場(chǎng)合以及典型的周期數(shù)據(jù)；同時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)間短、數(shù)據(jù)傳輸不連續(xù)等特點(diǎn)，特別適合小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸?，F(xiàn)在的無線wifi模塊廠家ZigBee智能家居控制方案有很多種，比如PC上位機(jī)、嵌入式圖形界面GUI(graphicaluserinterface)、云服務(wù)器等。但是，這些交互方式都存在一些問題：PC上位機(jī)需要通過接線與網(wǎng)關(guān)連接，從而降低了網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)性，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間網(wǎng)關(guān)都是空閑待機(jī)，應(yīng)用嵌入式GUI無形中增加了設(shè)備的開發(fā)成本和不必要的功耗，造成資源的浪費(fèi)等等；單用云服務(wù)器交互，無疑是對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的依賴，減少系統(tǒng)的穩(wěn)健性。所以，設(shè)計(jì)一套低成本、低功耗、高魯棒性、易于實(shí)現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)顯得尤為重要。

智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，利用ARM和ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM和ZigBee的智能家庭遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ARM11處理器移植Linux開發(fā)網(wǎng)關(guān)，并利用無線wifi模塊廠家ZigBee和TD-LTE無線終端系統(tǒng)。通過4G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee進(jìn)行交互，利用觸摸屏將用戶手機(jī)的狀態(tài)信息和家庭設(shè)備發(fā)送的信息顯示出來，用戶可以很容易地輸入相應(yīng)的指令來控制家庭設(shè)備。一種基于網(wǎng)絡(luò)和GSM的智能家庭控制系統(tǒng)。它包括無線wifi模塊廠家ZigBee模塊、樹莓派、智能插頭和GSM調(diào)制解調(diào)器，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或GSM對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程靈活的監(jiān)控?；赯igBee和WiFi的智能家居系統(tǒng)，采用ST作為主處理器，通過公司芯片組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過智能終端設(shè)備與WiFi模塊進(jìn)行通訊，以太網(wǎng)模塊可將網(wǎng)關(guān)連到因特網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于2.4G和ZigBee的智能家居系統(tǒng)，以達(dá)到進(jìn)一步降低成本、功耗、增加控制的目的。它包括云服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、2.4G遠(yuǎn)程遙控節(jié)點(diǎn)和ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)。Gateway主要負(fù)責(zé)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器和遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)交互；無線wifi模塊廠家ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)網(wǎng)和子結(jié)點(diǎn)組成，通過Z-Stack協(xié)議棧構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。煙幕傳感器和溫度濕度傳感器負(fù)責(zé)家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)；紅外熱釋電傳感器負(fù)責(zé)家庭安全監(jiān)測(cè)[7]；非智能設(shè)備用繼電器模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離開關(guān)；燈光控制節(jié)點(diǎn)用太陽能電池板和紅外熱釋放電感傳感器來實(shí)現(xiàn)智能燈光調(diào)節(jié)。每個(gè)子結(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到云服務(wù)器，云數(shù)據(jù)與手機(jī)App同步，而App(2.4G遙控)控制指令通過WiFi模塊(2.4G遙控)傳給網(wǎng)關(guān)處理后，并通過協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)發(fā)送給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控。2.4G遙控器相對(duì)于傳統(tǒng)的紅外線、藍(lán)牙等遙控器有許多優(yōu)勢(shì)[8]，不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且消除了定向等問題。利用2.4G遙控器與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互，可進(jìn)一步降低成本、功耗，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，提高產(chǎn)品性能。

硬件主要包括網(wǎng)關(guān)模塊、ZigBee模塊和2.4G遠(yuǎn)程控制模塊。網(wǎng)關(guān)模網(wǎng)關(guān)模塊由S主控制器、無線wifi模塊廠家WiFi模塊、ZigBee協(xié)調(diào)模塊和2.4G接收機(jī)組成。主控制器采用S低成本，高性能32位微處理器；WiFi模塊以樂鑫科技ESP8266模塊為核心；X是一款自帶2.4G高速無線收發(fā)模塊的單片機(jī)，集成了RF收發(fā)器、頻率發(fā)生器、晶振、GFSK調(diào)制解調(diào)器等功能模塊。采用SPI/IIC接口，可靈活配置輸出功率、通道、協(xié)議，內(nèi)建CRC、FEC、自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)重發(fā)等功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了性能。該模塊采用全電路方式設(shè)計(jì)，用戶只需簡(jiǎn)單地連接電源、地線、MOSI、MISO、CS、CLK等6條線就可使用。該模塊采用微帶線，傳輸距離超過50米，具有體積小、功耗低、收發(fā)靈敏度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊入侵檢測(cè)采用H紅外熱釋電模塊，煙霧報(bào)警器采用M可燃?xì)怏w傳感器模塊；溫濕度監(jiān)測(cè)采用D溫濕度傳感器；繼電器開關(guān)節(jié)點(diǎn)采用多路繼電器模塊；照明模塊由太陽能電池板組成，熱電傳感器和LED燈組成。

遙控器采用同型號(hào)的2.4G芯片X為主控單元，矩陣鍵盤為控制輸入，電池供電。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)上電后相應(yīng)硬件初始化。該協(xié)調(diào)程序選擇一個(gè)PANID(personalareanetworkID)，該協(xié)調(diào)程序在該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)分配地址，然后開始接收數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)程序接收的數(shù)據(jù)由S通過WiFi上傳到云服務(wù)器；WiFi/2.4G模塊接收指令由S通過協(xié)調(diào)程序發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

ZigBee子節(jié)點(diǎn)編程，將NV_RESTORE=1宏定義添加到預(yù)編譯選項(xiàng)中，以便在子節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)重新連接之后，協(xié)調(diào)者在協(xié)調(diào)器之前分配的短地址保持不變，協(xié)調(diào)者可以繼續(xù)使用該地址進(jìn)行點(diǎn)播通信。感應(yīng)點(diǎn)的時(shí)序采集傳感器數(shù)據(jù)的上傳；繼電節(jié)點(diǎn)的睡眠等待協(xié)調(diào)器消息；燈控節(jié)點(diǎn)有4種采用PWM調(diào)光方式的亮燈模式，按指令進(jìn)行模式切換。以下4種模式：模式1為缺省模式，夜間，人體感應(yīng)時(shí)微亮20s；模式2夜亮，人體感應(yīng)時(shí)亮20s；模式3常亮；模式4關(guān)閉人體感應(yīng)并關(guān)燈。3.32.4G遠(yuǎn)程控制和接收程序的設(shè)計(jì)，由于ZigBee和WiFi都是2.4G頻段，因此2.4G模塊采用了無線wifi模塊廠家WiFi和ZigBee間隔信道跳頻通信，以降低信道干擾，提高通信質(zhì)量。遠(yuǎn)程遙控上電休眠，通過按鍵觸發(fā)喚醒，檢測(cè)到按鍵發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)包，檢測(cè)到按下結(jié)束后立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)的低功耗。接收端上電進(jìn)接收方式，如在指定時(shí)間內(nèi)接收正確數(shù)據(jù)，由SPI傳送至S處理，否則可立即重新接收通道。
云服務(wù)器和應(yīng)用程序的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，通過WiFi模塊與云服務(wù)器進(jìn)行連接。注冊(cè)平臺(tái)并添加自己的數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，生成的代碼包被移植到網(wǎng)關(guān)代碼中，WiFi模塊需要燒錄它的官方固件，這樣無線wifi模塊廠家WiFi模塊就可以自動(dòng)連接到路由和云平臺(tái)；使用它的官方App就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

為了測(cè)試系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，評(píng)估系統(tǒng)可靠性，對(duì)建筑物存在障礙時(shí)的丟包率測(cè)試。為了仿真家庭環(huán)境中ZigBee節(jié)點(diǎn)的分布，將測(cè)試節(jié)點(diǎn)置于距離網(wǎng)關(guān)50m以內(nèi)的不同位置，并利用App和2.4G遙控器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。手機(jī)App控制方式的丟包率隨距離的增加幾乎為0，反映了物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性，但這也取決于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，如果網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，則會(huì)增加丟包率。不像App控制方式，2.4G遠(yuǎn)程控制方式不依賴網(wǎng)絡(luò)，在20m以內(nèi)丟包率為0，在20m~50m之間，丟包率為1%，隨著距離的持續(xù)增加，丟包率會(huì)進(jìn)一步增加。

總的來說設(shè)計(jì)達(dá)到了要求，能夠很好地實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制。采用無線wifi模塊廠家Zigbee構(gòu)造星型傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其成為家庭感知網(wǎng)絡(luò)和用戶之間的一座橋梁；2.4G遙控器和手機(jī)App遙控器可讓用戶通過云服務(wù)器輕松實(shí)現(xiàn)家庭遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的高效遙控，這樣既減輕了室內(nèi)局部布線的麻煩，又大大降低了成本和功耗。經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，成本低，功耗低，開發(fā)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)展和推廣，能滿足用戶對(duì)智能家居的需求。