基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是基于zigbee的智能家居安防系統(tǒng)，是將Zigbee技術與網(wǎng)絡結合，設計了一套通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)控制家庭安防系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PC、手機、門禁組成一個局域網(wǎng)，網(wǎng)絡節(jié)點由CC2430組建而成，該局域網(wǎng)通過Wifi網(wǎng)絡連接到用戶手機，用戶可以遠程操控系統(tǒng)的開關。同時在PC端設計控制平臺，用戶可以在家中通過電腦觀察門禁情況。與傳統(tǒng)的家庭控制網(wǎng)絡大多采用有線技術，可擴展性差、布線繁瑣、費用高相比，該智能家居安防系統(tǒng)具有可擴展性好、低成本、低功耗等特點。
【專利說明】基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明將Zigbee技術與網(wǎng)絡結合，設計了一套通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)控制家庭安防系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)。該智能家居安防系統(tǒng)具有可擴展性好、低成本、低功耗等特點。屬于監(jiān)測控制領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、生活質量的日益改善和生活節(jié)奏的不斷加快，人們的工作、生活日益信息化。信息化社會在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習慣的同時，也對傳統(tǒng)的家庭住宅系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。人們對于家居的要求已經(jīng)不僅僅是物理意義上的生存空間，更為關注的是一個高度安全性、方便、舒適的生活環(huán)境、先進的通訊設備、完備的信息終端、自動化和智能化的家用電器、信息資源使用的網(wǎng)絡化的需求等等，現(xiàn)代的家居設計理念越來越追求便捷化、高效化與智能化，家居設備的高度智能化已經(jīng)成為一種強烈的消費需求。同時在科學技術的快速發(fā)展的推動下，實現(xiàn)這種需求已經(jīng)不再是天方夜譚。由于電子技術的進步，家居產(chǎn)品已與計算機、網(wǎng)絡通信技術緊密地結合在一起，智能化的家用電子電器產(chǎn)品應運而生，智能家居系統(tǒng)越來越得到人們的重視，使得家居智能化勢在必然。
[0003]本發(fā)明設計的無線智能家居控制網(wǎng)絡系統(tǒng)在家庭組網(wǎng)中采用Zigbee技術，它是一種近距離、低成本、低能耗、低數(shù)據(jù)速率的無線網(wǎng)絡技術，它符合IEEE802.15.4標準，是IEEE工作組專門為短距離通訊制定的標準。
[0004]在智能家居系統(tǒng)中 ，家庭子網(wǎng)的構建是重中之重。家庭網(wǎng)絡技術的選擇一般有以下兩個基本原則:一是家庭子網(wǎng)的性能要求，如數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性、接入速度等?’另一個就是能否滿足設計的功能需求。在家庭環(huán)境下，家庭子網(wǎng)一般分為家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和家庭控制網(wǎng)絡兩種。家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡側重于網(wǎng)絡通信和大數(shù)據(jù)量的音頻、視頻服務，與家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡核心目標不同，家居控制網(wǎng)絡需要的是簡單的控制、低速率的通信和靈活的互連性。因此在對智能家居系統(tǒng)的家庭子網(wǎng)進行構架時，主要關注的是低速率、低成本的通信手段以及靈活的組網(wǎng)方式。家庭子網(wǎng)中通常有大量的節(jié)點設備，而這些節(jié)點設備大多使用電池供電，因此成本和功耗是組建家庭控制網(wǎng)絡過程中首先需要考慮的兩個問題。
[0005]1.幾種短距離無線網(wǎng)絡的比較
[0006]由于有線網(wǎng)絡固有的布線困難、擴展性差等缺點，將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡已成為大勢所趨。目前，比較流行的短距離無線通信技術主要有紅外(IrDA)技術、藍牙(Bluetooth)技術、Wifi (IEEE802.)技術和 Zigbee 技術。
[0007]# Zigbee 技術
[0008]ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術。Zigbee技術的物理層、MAC層采用了 IEEE802.15.4協(xié)議標準，在此基礎上Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范進行了標準化與必要的完善和擴展。Zigbee技術專注于IOKbps到250Kbps的低速率傳輸應用，主要適合于自動控制和遠程控制領域。
[0009].Zigbee用于家庭組網(wǎng)的可行性[0010]家庭控制網(wǎng)絡是整個智能家居控制系統(tǒng)的神經(jīng)和核心，對于家庭控制網(wǎng)絡而言，必須滿足如下要求:
[0011](I)可靠性，家居控制網(wǎng)絡要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆荒芤驗楦蓴_或者信道阻塞而下降，要保證家居主節(jié)點與家居設備節(jié)點之間安全、無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee的MAC層采用talk-when.ready碰撞避免機制,這種方式大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0012](2)成本，在一個家庭中可能有幾十甚至上百個家居設備節(jié)點，對于眾多的節(jié)點來說，成本是相當可觀的。目前，Zigbee芯片的成本大約在4美元左右，對于大批量應用而言Zigbee設備的成本可以做到2美元以下。隨著半導體集成技術的發(fā)展，Zigbee芯片的體積將會變得越來越小，價格也會降得更低。
[0013](3)可擴展性，在家庭中家居設備不會一成不變，而在實際應用中經(jīng)常需要添加或者刪減設備節(jié)點，當設備節(jié)點數(shù)目發(fā)生變動時，系統(tǒng)應當具備一定的機制擴充網(wǎng)絡節(jié)點，而不需要改變網(wǎng)絡的結構。Zigbee網(wǎng)絡中每個設備可連接多達255個節(jié)點，而幾個設備之間則可形成一個更大的無線網(wǎng)絡，Zigbee網(wǎng)絡對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。
[0014](4)信號覆蓋率，家庭住宅的范圍在10?100米之間，且房間之間有墻壁阻隔，各設備網(wǎng)絡節(jié)點之間必須能夠穿透墻壁在一定距離之間進行可靠通信。Zigbee的有效覆蓋范圍可達100米左右，并且該頻段對于墻壁有比較好的穿透性，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而改變，一般都能夠覆蓋辦公室或普通的家庭環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明將Zigbee技術與網(wǎng)絡結合，設計了一套通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)控制家庭安防系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PC、手機、門禁組成一個局域網(wǎng)，網(wǎng)絡節(jié)點由CC2430組建而成，該局域網(wǎng)通過Wifi網(wǎng)絡連接到用戶手機，用戶可以遠程操控系統(tǒng)的開關。同時在PC端設計控制平臺，用戶可以在家中通過電腦觀察門禁情況。
[0016]智能家居安防系統(tǒng)門禁系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示，主要由前段(Zigbee節(jié)點)，后端(主服務器)，以及移動設備三部分組成。前端有傳感監(jiān)測器，信號轉換器，和無線發(fā)送，后端有無線接收和控制中心(個人計算機)。前端和后端通過Zigbee網(wǎng)絡無線連接。后端和移動設備通過WLAN網(wǎng)絡相通信。在個人PC及移動設備上均有圖形界面控制臺，以開啟和關閉系統(tǒng)，并且獲知傳感器節(jié)點的狀態(tài)。當主人離開家時可以通過控制按鍵打開主服務器并打開手機程序，以隨時獲知家里的情況。待主人回到家中和，便可以控制關閉系統(tǒng)。
[0017]傳感器加上信號處理，以及CC2430收發(fā)模塊組成一個Zigbee節(jié)點。節(jié)點通過Zigbee網(wǎng)絡與主服務器相連。主服務器也選用CC2430作為收發(fā)模塊，通過串口與個人PC相連。主服務器根據(jù)從串口接收的數(shù)據(jù)來判斷是否有非法人員進入室內(nèi)。然后，個人PC通過Internet與移動用戶相通信,告知家中的情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1智能家居安防系統(tǒng)門禁系統(tǒng)的總體結構框圖
[0019]圖2智能家居安防系統(tǒng)的軟件編程任務圖
[0020]圖3Android應用界面[0021]實施方式
[0022]本發(fā)明設計的智能家居控制系統(tǒng)是以Zigbee技術為基礎,綜臺Internet通信技術、無線通信建立起來的一套完整的家居控制系統(tǒng)。目的是將家庭中的家居設備連接到網(wǎng)絡之中，使傳統(tǒng)家居設備具有網(wǎng)絡化、自動化、智能化的新特征。本系統(tǒng)需要在家居設備之上安裝與之功能相對應的節(jié)點模塊，這些節(jié)點模塊包括了傳感器、執(zhí)行器和通信模塊。各個節(jié)點模塊將各自采集的信息經(jīng)過處理之后通過家庭控制子網(wǎng)傳輸?shù)郊彝タ刂浦行?，家庭控制中心將信息上傳到家庭網(wǎng)關，家庭網(wǎng)關響應用戶遠程提交的查詢指令通過Internet將結果反饋到用戶手中的移動終端之上。
[0023]家庭網(wǎng)關是智能家居控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡各種設備之間的信息交換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時網(wǎng)關一般還負責家庭家居設備的管理和控制。
[0024]外部網(wǎng)絡為智能家居系統(tǒng)提供高速Internet接入和無線廣域網(wǎng)接口，使得用戶可以通過無線通信網(wǎng)絡遠程登錄到家庭網(wǎng)關智能家居管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行管理和控制，對家中的終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)訪問或者控制。
[0025]如圖2所示，智能家居安防系統(tǒng)的軟件編程主要分為三部分:第一部分CC2430硬件上的編程，通過C語言來實現(xiàn)；第二部分是個人PC上控制平臺的編程，通過C#語言來實現(xiàn)；第三部分是是手機應用程序的編程，通過Java語言來實現(xiàn)。
[0026]1.Windows sockets 數(shù)據(jù)傳輸
[0027]在本文設計的智能家居遠程控制網(wǎng)絡中，選用TCP協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議作為網(wǎng)絡通訊協(xié)議。TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，即進行網(wǎng)絡傳輸時有一個連接的建立、維護和拆除的過程。在開始數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)送方必須先與接收方建立連接，確認連接建立后再進行數(shù)據(jù)的傳輸；在數(shù)據(jù)傳輸過程中保持已建立的連接；數(shù)據(jù)傳輸完成后雙方再斷開連接，這樣就完成了一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程。在網(wǎng)絡通信中通常使用Socket (套接字)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。由于使用Socket能夠在網(wǎng)絡上處理復雜數(shù)據(jù)，在TCP/IP網(wǎng)絡中，Socket (套接字)是網(wǎng)絡通信中最常用的編程接口，應用程序需要傳送和接收數(shù)據(jù)時通常都會使用Socket數(shù)據(jù)傳輸。
[0028]在網(wǎng)絡通信中，套接字是不同主機間的進程進行雙向通信的端點，在相同的域內(nèi)各種進程使用約定的Internet協(xié)議來進行相互之間的通信，這個通信域是套接字通信過程中引進的一種抽象概念，套接字通常和同一個域中的套接字交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換在進行跨域傳輸時需要特定的解釋程序的協(xié)助。一般情況下，從理論上說，用戶開發(fā)的應用程序僅在同一類的套接字間進行通信。在實際應用之中，不過只要底層的通信協(xié)議允許，不同類型的套接字間也照樣可以通信。
[0029]Socket 一般被看成是一個像stream流一樣的數(shù)據(jù)通道,這個數(shù)據(jù)通道架構在應用程序(客戶端)和遠程服務器之間，而數(shù)據(jù)的讀取(接收)和寫入(發(fā)送)均通過這個通道來實現(xiàn)。當應用程序端或者服務器端建立了 Socket鏈接對象后(通道建立)產(chǎn)就可以使用Send/SendTo方法將數(shù)據(jù)發(fā)送到連接的Socket,或者使用Receive/ReceiveFrom方法接收來自連接的soc ket的數(shù)據(jù)。
[0030]2.Android手機客戶端軟件設計
[0031]?背景[0032]Internet的發(fā)展使得現(xiàn)在信息傳遞比以前暢通很多，而移動通信的發(fā)展使得我們獲取信息的途徑更加便捷快速。Wifi技術使得我們使用移動終端利用無線網(wǎng)絡登錄Internet獲取信息更為便捷。網(wǎng)絡已經(jīng)是當今社會獲取信息的重要手段，也是信息化社會的重要基礎。電信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的結合不僅大大提高網(wǎng)絡資源利用率，而且為移動業(yè)務的發(fā)展提供了技術支持和應用平臺。隨著手機的不斷普及以及性能的不斷提升，如何基于手機這一大眾化移動終端開發(fā)各類移動業(yè)務和信息服務系統(tǒng)成為當前新的應用研究的執(zhí)占。
[0033]Android是由Linux+Java構成的。這個平臺的架構非常簡單,使得它可以充分發(fā)揮硬件資源的性能，而它的開源性，降低了手機軟件的開發(fā)成本，這就使得Android成為了目前移植性最好的手機操作系統(tǒng)。而Android的開源性也使得Android手機不會有太高的價位，用戶可以比較容易的獲取各種所需要的信息?；诖吮菊n題采用Android移動平臺來開發(fā)面向智能家居家庭網(wǎng)關的移動應用系統(tǒng)。
[0034]?設計平臺以及需要注意的問題
[0035]針對智能家居系統(tǒng)中手機移動終端應用的要求，手機軟件采用eclipse開發(fā)環(huán)境，使用JAVA作為開發(fā)語言。由于手機軟件開發(fā)使用與個人計算機一致的集成開發(fā)環(huán)境，降低了手機移動終端的軟件開發(fā)難度。在開發(fā)手機移動終端軟件時必須注意下面的一些問題:
[0036](I)手機移動終端應該保持快捷高效，大規(guī)模的運算和數(shù)據(jù)處理應該提交給家庭網(wǎng)關服務器。另外手機的內(nèi)存有限，要求應用程序盡可能的小，只包括基本的組件即可。
[0037](2)手機的屏幕尺寸較小，分辨率也較低，難以顯示大量信息，另外，Android的智能手機用戶通常習慣使用觸摸屏操作，由于觸摸屏的特點，因此在設計遠程控制程序時要充分考慮到應用程序顯示的信息量，以及觸摸屏控制的便捷性，在功能與操作之間找平衡點。
[0038](3)手機移動終端與家庭網(wǎng)關之間使用Wifi進行通信，為了降低數(shù)據(jù)通信的成本，必須注意節(jié)約數(shù)據(jù)通信流量。
[0039](4)手機移動終端依靠電池供電，必須盡可能的考慮節(jié)省能耗。
[0040]考慮到手機的特點以及Wifi連接的特殊性，手機終端上應用程序的結構不易過于復雜，基于這點考慮，手機終端軟件提供了連接PC，監(jiān)控進入人數(shù)，與PC同步等功能。手機終端上數(shù)據(jù)的格式使用標準化的，基于文本的XML格式，它能夠解決數(shù)據(jù)跨平臺的問題，并且與家庭網(wǎng)關上程序所用的數(shù)據(jù)格式相同，便于通信和分析。
[0041].Android應用開發(fā)界面以及應用界面
[0042]程序啟動后顯示如圖3所示的界面，點擊“連接至PC”按鈕，在PC端上位機開啟的前提下，手機將通過Socket連接到PC，并與PC進行實時的通信。若有報警信息號，將會在“確認”按鈕的左側顯示“有人進來了 ！ ”報警字樣。
【權利要求】
1.一種基于ZigBee技術的智能家居安防系統(tǒng)，是一套通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)控制家庭安防系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)。
2.該智能家居安防系統(tǒng)，是以Zigbee技術為基礎,綜臺Internet通信技術、無線通信建立起來的一套完整的家居控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于ZigBee技術的智能家居安防系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)將PC、手機、門禁組成一個局域網(wǎng)，網(wǎng)絡節(jié)點由CC2430組建而成，該局域網(wǎng)通過Wifi網(wǎng)絡連接到用戶手機，用戶可以遠程操控系統(tǒng)的開關。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于ZigBee技術的智能家居安防系統(tǒng)，其特征在于在PC端設計控制平臺，用戶可以在家中通過電腦觀察門禁情況。
【文檔編號】G07C9/00GK103942856SQ201310023382
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月18日 優(yōu)先權日:2013年1月18日
【發(fā)明者】陸婷 申請人:陸婷