基于ZigBee的智能家居公共安全系统控制平台研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()基于Z i g B e e的智能家居公共安全系统控制平台研究林婷婷,樊森,张新英(郑州经贸学院,河南郑州 ;机械工业第六设计研究院有限公司,河南郑州 )摘要:采用中央控制网关与无线传感网络相结合,通过移植Z i g B e e协议栈到C u b i e b o a r d来组建智能家居的无线传感及控制网络,最后扩展A n d r o i d系统作为远程移动控制终端,设计实现了集核心网关、门禁系统、监控系统、报警模块、环境感知、家电控制和后备电源个功能模块于一体的智能家居公共安全系统.关键词:Z i g B e e技术;智能家居;公共安全系统;控制平台中图分类号:T P 文献标识码:A 年度河南省高等学校重点科研项目(B );郑州经贸学院青年科研基金项目(QK )收稿日期:;修订日期:作者简介:林婷婷(),女,河南郑州人,讲师,硕士,主要研究方向:智能控制与软件开发,新能源发电及控制.引言近年来全球智能家居及智能社区快速发展,物联网的提出使智能家居的概念有了新的意义,传统意义上的智能家居只是简单地控制家中的电视、照明设备等家用电器,而新的智能家居是一个更大范围的控制.在公共安全领域,物联网技术可以实现实时检测、智能分析判断、人机智能对话等诸多功能.基于物联网的安防系统具备自感应、自适应等功能,能够结合多种传感器信息实现异常情况的有效定位、分类,甚至无须人力介入自动启动各种应急措施.进入 世纪后,中国安防技术产品行业得到了进一步的发展,智能建筑、智能家居建设产品市场蓬勃发展,安防产业日渐成为中国经济建设领域中的一支主力军.利用物联网技术连接与管理家居设施,在易用性、安全性、高效节能等方面对于现有的家居系统有着革命性的意义.本文主要致力于研究一种新的智能家居控制平台.该平台以提高居民住所安全性为目的,设计中尽可能地采用通用模块以及标准协议,在减少智能家居系统组建成本的同时降低搭建难度,使得智能家居物联技术尽快地走进人们的生活中.系统网关主要围绕C u b i e b o a r d来 搭 建,通 过 移 植Z i g B e e协 议 栈 到C u b i e b o a r d来组建智能家居的无线传感及控制网络,在此基础上实现居室环境的感知、家用电器的开关控制以及防盗报警等功能.系统整体设计方案依据国内外相关领域的状况、当代居民的居住需求以及国内居民住所建设的真实发展状况,智能家居公共安全系统由家庭环境感知层、网络传输层和应用服务层组成.家庭环境感知层主要由各种传感器节点组成,实现家庭环境信息采集、家用电器状态获取以及访客身份获取等;网络传输层主要实现信息的传输,包括家庭环境信息、居家控制信息等;应用服务层主要负责控制相关家电设备、设施及应用服务接口.故整个系统主要由核心网关、门禁系统、监控系统、报警模块、环境感知、家电控制和后备电源个功能模块组成.图为智能家居公共安全系统组成结构.系统关键技术选型对于智能家居系统来说,组网方式的选择即网络的互联、物理网络的搭建,主要包括家庭网关、家庭内部的传感控制网络、家居外部的互联网络的互联及搭建.早期的家居系统组网方式主要采用有线组网方式,以P C机作为系统核心控制网关,通过以太网接入到互联网之后再通过控制一些终端设备来实现远程访问和控制.随着目前移动通信技术的发展,无线方式解决了传统有线网络布线复杂、扩展性差的一系列问题,故系统主要采用无线组网方式.网关采用集成了开源操作系统的A RM单板机代替传统的P C机.在众多的无线组网方式中,Z i g B e e技术成本较低、技术简单、更可靠安全、网络容量大、自组网的能力强,所以更适合家庭内网组网.而对于家居外部的互联网 络 则 采 用 了 目 前 较 为 成 熟 的 互 联 网 技 术,如I n t e r n e t网,主要实现终端设备远程登录家居系统,以便于监控房间相关设备.远程终端控制设备采用的是可以接入互联网的W e b网络和智能家居终端A P P来方便数据交换,实现自由方便的监控.系统硬件平台搭建 网关硬件设计在家居系统中,网关作为系统最核心的组件,主要负责接收传感系统传输的数据信息,包括环境数据以及家电设备的控制信息,负责人机交互、网络的接入和远程设备的访问监控等协调管理功能.其硬件主要包括计算机平台、输入输出设备、内网组网设备以及通信、W I F I、G S M等远程访问模块.图为系统网关组成结构简图.图智能家居公共安全系统组成结构图图系统网关组成结构简图 计算机平台选型近年来,随着手机等移动手持终端的发展,设计出了一种以A RM为核心的卡片式计算机,其中最具代表性的是一类称为树莓派的A RM计算机,它是一种基于L i n u x系 统 的 单 板 计 算 机.本 文 对 比 了R a s p b e r r yP iB、C u b i e b o a r d、p c D u i n o等几种类型的单板计算机,因C u b i e b o a r d性价比高、接口能够满足家居控制系统的相关要求,故选择了C u b i e b o a r d作为系统控制平台开发的网关.平台扩展C u b i e b o a r d计算机所拥有的板载接口只能组成一个多媒体计算机,无法满足系统的需要,所以要加入G S M和Z i g B e e协调器,就需要从扩展接口 P I N引出相应的通信接口.本系统选用的G S M模块是西门子公司的T C i,Z i g B e e选用C C 芯片,其功耗低、体积小,更便于集成.传感组件硬件设计本系统传感组件由Z i g B e e终端和传感器组成.Z i g B e e负责数据传输,传感器负责收集数据信息.主要采用MQ 烟雾传感器进行有害气体以及烟雾浓度的实时监测,该传感器一方面可以对气体浓度做到精准监测,另一方面也可以监测到空气中的有毒气体和易燃 气 体;选 择DHT 芯 片 监 测 温、湿 度;选 用MK 门磁检测门/窗开关;选用HC S R 进行红外检测.具体设计时,传输模块与传感器分开,使用标准接口连接,通过烧写不同程序实现相关功能.部分控制模块硬件设计控制模块设计主要包括开关控制模块设计、红外遥控模块设计、继电器驱动电路设计、监控系统设计和门禁系统设计等.智能家居公共安全系统的主要控制对象有空调、照明、窗帘、电视等,控制手段主要分为电源开关控制和红外遥控两种方式,如图、图所示.图开关控制模块组成模型图红外遥控模块组成模型智能门禁控制系统的设计组成主要有射频读卡器、触摸键盘、声光警示模块和Z i g B e e组件等,如图所示.图门禁系统组成结构图系统软件设计网关采用嵌入 式A RM单 板计算机,同 时采用A n d r o i d系统作为远程移动控制系统;开发Z i g B e e终端最主要是通过在相应的操作系统中内嵌相对应的传感及控制模块的处理函数,结合系统A P I函数完成系 年第期林婷婷,等:基于Z i g b e e的智能家居公共安全系统控制平台研究统所要实现的相关功能.远程控制客户端的开发应用J a v a编程预演,编译工具采用E c l i p s e集成开发环境.远程终端控制界面部分功能如图所示.图远程终端控制界面部分截图结论本文研究了基于Z i g B e e的智能家居公共安全系统,网关搭建主要采用C u b i e b o a r d,无线传感网和无线控制网是通过移植Z i g B e e协议栈到网关芯片中来实现的.同时实现了基于A n d r o i d操作系统的远程控制访问.通过软硬件设计及调试,最终实现了对家居环境的感知和电器控制等功能.参考文献:宋晨静,高浩基于“人工智能物联网”的智能家居实验实训平台设计J科技视界,():程翔,许正荣,张昆明基于物联网的智能家居控制系统设计J传感器与微系统,():,王平,王焱基于物联网平台的智能家居中心控制系统设计J计算机测量与控制,():李婷基于物联网的智能家居照明系统实现策略J光源与照明,():R e s e a r c ho nC o n t r o lP l a t f o r mo fS m a r tH o m eP u b l i cS a f e t yS y s t e mB a s e do nZ i g B e eL I NT i n g t i n g,F A NS e n,Z H A N GX i n y i n g(Z h e n g z h o uU n i v e r s i t yo fE c o n o m i c s a n dB u s i n e s s,Z h e n g z h o u ,C h i n a;S I P P RE n g i n e e r i n gG r o u pC o,L t d,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n gt h ec o m b i n a t i o no f c e n t r a l c o n t r o l g a t e w a ya n dw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k,t h ew i r e l e s s s e n s o r a n dc o n t r o l n e t w o r ko fs m a r th o m e i s e s t a b l i s h e db y t r a n s p l a n t i n gZ i g B e ep r o t o c o l s t a c k t oC u b i e b o a r d F i n a l l y,t h eA n d r o i ds y s t e mi s e x t e n d e da s a r e m o t em o b i l e c o n t r o l t e r m i n a l,a n da n i n t e l l i g e n t h o m ep u b l i c s a f e t ys y s t e mi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d,w h i c h i n t e g r a t e s s e v e n f u n c t i o n a lm o d u l e s:c o r eg a t e w a y,a c c e s s c o n t r o l s y s t e m,m o n i t o r i n gs y s t e m,a l a r mm o d u l e,e n v i r o n m e n t a l a w a r e n e s s,h o m e a p p l i a n c e c o n t r o la n db a c k u pp o w e r s u p p l y K e y w o r d s:Z i g B e e t e c h n o l o g y;s m a r th o m e;p u b l i cs a f e t ys y s t e m;c o n t r o l p l a t f o r m(上接第 页)刘国栋,张学义,王爱传,等永磁同步电机转子涡流损耗优化及温升分析J微电机,():王晓宇,孙宁,陈丽香利用定子槽口宽度削弱永磁电机电磁噪声研究J电机与控制应用,():,张琪,梁冰洁,黄苏融,等槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响J电机与控制应用,():包春峰无轴承异步电机转子槽口宽度分析及集肤效应研究D镇江:江苏大学,:魏士文,张洪信,赵清海定子槽口宽度对同步电机转子涡流损耗的影响研究J青岛大学学报(工程技术版),():银新军定子齿槽结构参数对扁线电机性能的影响分析及优化D重庆:重庆理工大学,:E f f e c t o fS l o tW i d t ho nE l e c t r o m a g n e t i cP e r f o r m a n c eo fP e r m a n e n tM a g n e t S y n c h r o n o u sM o t o rL IQ i n g l i n,H A NS h u a i,WA N GH u i p i n g(X e c aT u r b o(C h e n g d u)T e c h n o l o g yC o,L t d,C h e n g d u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h e i n f l u e n c eo f t h e s l o tw i d t ho f p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r o n t h ep e r f o r m a n c eo f t h em o t o r,at a b l es t i c kp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rw a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t F i r s t l y,t h e i n f l u e n c eo f t h e s t a t o r s l o tw i d t ho nt h ew i n d i n gm a g n e t i cp o t e n t i a lh a r m o n i cf i e l da n dt h ea i rg a pf i e l dw a ss t u d i e db ya n a l y t i c a lm e t h o d S e c o n d l y,t h es i m u l a t i o ns o f t w a r e i su s e d t oe s t a b l i s h t h em o t o rm o d e lw i t h f o u r s l o tw i d t h s,a n d t h em a g n e t i c f o r c e l i n e c l o u dm a pa n dm a g n e t i cd e n s i t yc l o u dm a pa r ea n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h e n,t h er a d i a la i rg a p m a g n e t i cd e n s i t yu n d e rf o u rd i f f e r e n ts l o tw i d t h si sc o m p a r e d,a n dt h eF o u r i e rh a r m o n i cd e c o m p o s i t i o n i sc a r r i e do u t t oe x p l o r et h ec h a n g eo f r a d i a l a i rg a pm a g n e t i cd e n s i t yh a r m o n i cw i t ht h ec h a n g eo f s t a t o rs l o tw i d t h F i n a l l y,t a k i n gt h eg e a rg r o o v et o r q u e,n o l o a db a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c ea n do u t p u t t o r q u ea st h ep a r a m e t e r st oj u d g et h ee l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r,t h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r so ft h ef o u rk i n d so f s l o tw i d t h sw e r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y,a n dt h e i n f l u e n c eo fs t a t o rs l o tw i d t h so nt h ee l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c eo f t h em o t o rw a so b t a i n e d K e y w o r d s:p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r;w i d t ho f s t a t o rn o t c h;e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s机 械 工 程 与 自 动 化 年第期