1、項目背景

智能家居控制系統(tǒng)，是以智能家居系統(tǒng)為平臺，家居電器及家電設(shè)備為主要控制對象，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制系統(tǒng)、音頻技術(shù)等將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行高效集成，提升家居智能、安全、便利、舒適，為我們的生活帶來很的方便性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，隨之而誕生的智能家居成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的佼佼者。智能家居是隨著人們生活水平的提高而逐漸發(fā)展起來的朝陽產(chǎn)業(yè)。它的出現(xiàn)給人們的生活帶來極大的便利；同時，智能家居的出現(xiàn)也帶動了一大批經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。對于傳統(tǒng)的智能家居而言，功能相對單一，且不能將各種家電設(shè)備之間進(jìn)行有效互聯(lián)；再者傳統(tǒng)的智能家居一般采用有線的方式進(jìn)行組網(wǎng)，組網(wǎng)不便，維修不易。

2、作品簡介

本文設(shè)計了一個基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)巧妙地使用了ZigBee的一大優(yōu)勢--自組網(wǎng)功能，完全避免了傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式。ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)簡單、方便，且組網(wǎng)容量大等優(yōu)點。本智能控制系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)和家庭智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)有效結(jié)合，以MYD-YG2UL為智能網(wǎng)關(guān)的處理器，在MYD-YG2UL嵌入一個Linux系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個高度集成的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，從而對家庭設(shè)備進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程操作，真正實現(xiàn)了家電設(shè)備的智能化。

3、系統(tǒng)框圖

本項目嘗試通過構(gòu)建一體化、實時控制的智能家居，可用于普通居民家庭、大中小型商場以及工業(yè)領(lǐng)域等。下圖展示了家居智能設(shè)備與終端系統(tǒng)互聯(lián)情況。MYD-YG2UL作為控制端，與家具智能設(shè)備直接連接，并接有傳感設(shè)備。同時，MYD-YG2UL作為端點與云端相連，為云端提供家具智能設(shè)備的運(yùn)行情況并接收云端控制命令。遠(yuǎn)程終端設(shè)備可通過云端實時查詢和控制家居智能設(shè)備。

本文所提出的智能家居系統(tǒng)解決方案整體框架如圖所示。通過技術(shù)論證和架構(gòu)分析后，決定將系統(tǒng)劃分為三個子系統(tǒng)：ZigBee無線傳感器監(jiān)控子系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)，監(jiān)控子系統(tǒng)。ZigBee無線傳感器監(jiān)控子系統(tǒng)通過各個傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞給路由節(jié)點，再通過路由節(jié)點將收集的各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次傳遞給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以完成數(shù)據(jù)的傳遞。用戶就能在遠(yuǎn)程進(jìn)行查家中的各種環(huán)境信息，實時掌握家中的最新動態(tài)。網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)有兩大作用，一是連接以太網(wǎng)；二是搭載攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，實施遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。智能網(wǎng)關(guān)為整個智能家居系統(tǒng)的核心所在，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4、詳細(xì)設(shè)計

在系統(tǒng)提供在線查看安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能，通過多傳感器采集數(shù)據(jù)，搭建無線局域網(wǎng)，實時同步各個傳感器信息，實現(xiàn)全方位的安全監(jiān)測和報警功能；同時搭建了Web服務(wù)器，供用戶遠(yuǎn)程查看監(jiān)控信息。

4.1 ZigBee無線傳感監(jiān)控子系統(tǒng)

ZigBee協(xié)議為智能家居環(huán)境監(jiān)測提供了無線自組局域網(wǎng)解決方案。協(xié)調(diào)器節(jié)點可以實時獲取到各個終端節(jié)點的環(huán)境信息，實時傳遞給用戶便于用戶查看，路由節(jié)點用于終端節(jié)點的二次傳遞，起到信息傳遞的作用；終端節(jié)點用于通過各個傳感器收集環(huán)境信息，判斷采集信息是否達(dá)到預(yù)警、報警閥值，是否執(zhí)行相應(yīng)動作，將用戶指定的信息數(shù)據(jù)通過路由器傳遞給終端節(jié)點，最后在傳遞給用戶，方便用戶了解環(huán)境信息。

4.1.1 ZigBee工作流程圖

ZigBee的工作流程圖如下圖所示。

Figure 4-1 Z-Stack 工作流程圖

Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，而且有一個專門的Timer2 來負(fù)責(zé)定時。從CC2530工作開始，Timer2 周而復(fù)始地計時，有采集、發(fā)送、接收、顯示等任務(wù)要執(zhí)行時就執(zhí)行。當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗。整個Z-Stack 的主要工作流程，如圖所示，大致分為以下6步：

• 關(guān)閉所有中斷；
• 芯片外部(板載外設(shè))初始化；
• 芯片內(nèi)部初始化；
• 初始化操作系統(tǒng)；
• 打開所有中斷；
• 執(zhí)行操作系統(tǒng)。

4.1.2 ZigBee建立網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)流程分析

本設(shè)計主要是用ZigBee組建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)為本設(shè)計的一個重點，下面分別介紹協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、路由器加入網(wǎng)絡(luò)、終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程。協(xié)調(diào)器的建立網(wǎng)絡(luò)過程如下圖所示。

Figure 4-2 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)過程

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的建立是從ZDO來實現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)建立后，從應(yīng)用層收到ZDO_ATATE_CHANGE消息，對該消息包含當(dāng)前節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。路由器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)過程如下圖所示。路由器加入網(wǎng)絡(luò)的過程是由ZDO實現(xiàn)的，當(dāng)路由器加入網(wǎng)絡(luò)以后，在應(yīng)用程會收到當(dāng)前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

Figure 4-3 路由器加入網(wǎng)絡(luò)過程

終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。由下圖可知，終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程也是由ZDO實現(xiàn)的，在應(yīng)用層收到該節(jié)點的信息后，即可讀出當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

Figure 4-4 終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)過程

4.1.3 ZigBee環(huán)境監(jiān)測流程

環(huán)境監(jiān)測的流程圖如下所示。

ZigBee各個節(jié)點進(jìn)行初始化化后進(jìn)行組網(wǎng)，各個終端節(jié)點不斷采集環(huán)境信息，在一切準(zhǔn)備妥當(dāng)之后，協(xié)調(diào)器就會定時向網(wǎng)關(guān)環(huán)境信息。ZigBee子系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)通過ser2net實現(xiàn)交互，將ZigBee子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器的串口數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過TCP協(xié)議與外界交互。智能網(wǎng)關(guān)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，網(wǎng)絡(luò)連接等，等待協(xié)調(diào)器發(fā)送環(huán)境信息，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端。云端得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，繪制每個終端的溫濕度曲線，也可實時查看當(dāng)前的環(huán)境信息。當(dāng)然移動端也可獲取環(huán)境信息，同時也可控制家電設(shè)備。另外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計了簡單的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議保證數(shù)據(jù)的可靠交互。

4.2 網(wǎng)關(guān)/監(jiān)控子系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)/監(jiān)控子系統(tǒng)有攝像頭、智能網(wǎng)關(guān)和移動終端組成。智能網(wǎng)關(guān)上電之后完成板級初始化，連接號WiFi，初始化攝像頭。當(dāng)有用戶請求視頻信息時，智能網(wǎng)關(guān)立即獲取攝像頭數(shù)據(jù)傳給用戶。

5、具體部署

5.1 ZigBee無線傳感監(jiān)控子系統(tǒng)

IAR編譯

打開工程

\ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0\Projects\zstack\Utilities\SerialApp\CC2530DB\下的SerialApp.eww。

Figure 5-1 編譯固件

編譯完后單擊下載按鈕。

Figure 5-2 編譯完成

固件燒寫

使用SmartRF Flash Programmer燒寫Hex固件到ZigBee節(jié)點，將Coordinator.hex和EndDevice 1-4.hex分別下載到協(xié)調(diào)器和終端。注意：如果沒有那么多板子的話，只要下載 Cocodinator.hex和 EndDevice1.hex就可以了。

Figure 5-3 下載方法

上位機(jī)調(diào)試

一定要給協(xié)調(diào)器先上電，因為使用的USB轉(zhuǎn)串口，程序自動識別串口。筆者提供免安裝和安裝版本，在這里使用免安裝版本，雙擊ZigBee.exe。筆者這里這是為自動刷新數(shù)據(jù)。筆者使用了一個終端，可看到如下圖所示的信息。

Figure 5-4 上位機(jī)軟件

手機(jī)控制

如果想手機(jī)也控制則需要有無線路由器，手機(jī)打開 wifi 并連接好后，先點網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，輸入電腦 IP 地址后點連接，手機(jī)顯示連接成功后，會自動刷新數(shù)據(jù)。如下圖所示。

Figure 5-5 手機(jī)網(wǎng)路設(shè)置及控制

5.2 網(wǎng)關(guān)/監(jiān)控子系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)可以使用Yocto或者Openwrt系統(tǒng)，其中有幾個關(guān)鍵組件，下面一一講解

具體步驟，請參見米爾公眾號：

https://mp.weixin.qq.com/s/vgqdP3Kr3_9f7oCKtlyyWg

6、總結(jié)

由于此項目中涉及到的知識非常的多,如：

•    Linux開發(fā)，包括系統(tǒng)移植，驅(qū)動開發(fā)等

•    電腦端C#程序，包括串口、界面開發(fā)等；

•    搭建安卓開發(fā)環(huán)境，學(xué)習(xí)安卓界面開發(fā)，安卓的socket通訊；

•    ZigBee組網(wǎng)實驗，多終端通訊，對于簡單項目在我們上面修改一下就可做成自己的產(chǎn)品；

•    項目中使用的通訊協(xié)議是基本Modbus協(xié)議修改而來的，結(jié)構(gòu)相同只是命令碼不同，更標(biāo)準(zhǔn)、更完善。

MYC-YG2UL核心板及開發(fā)板

基于RZ/G2UL處理器，通用64位工業(yè)MPU

RZ/G2UL是瑞薩一款高性能處理器；

內(nèi)核Cortex-A55@1.0GHz CPU、Cortex-M33@200MHz；

16位DDR3L/DDR4接口以及LCD控制器；

攝像頭輸入、顯示輸出、USB2.0和千兆以太網(wǎng)；

尺寸37mm*39mm，工業(yè)級：-40℃-85℃，郵票孔+LGA，190PIN；

應(yīng)用：工業(yè)網(wǎng)關(guān)、入門級工業(yè)HMI、醫(yī)療器械、PLC控制器、充電樁、儲能系統(tǒng)。