CN103019181A - 基于ZigBee无线通讯协议的物联网智能家居系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于ZigBee技术的智能家居系统，除包含多个家用设备外，它还包括智能家居网关及无线转发模块、安防系统模块、灯光系统模块、窗帘控制模块、环境监测系统模块及影音系统模块；智能家居网关接收来自终端的控制命令并形成ZigBee数据帧格式的命令，然后经ZigBee射频模块发射出去，各控制模块接收到或经无线转发接收到来自终端的控制命令后对家用电器设备进行控制。并且各控制模块之间可以互为路由，从而大大提高了网络连接的稳定性。本发明具有全无线双向通讯、可大规模布网、状态可见、兼容性强、性能稳定、升级方便、安全等优点。

Description

基于ZigBee无线通讯协议的物联网智能家居系统

所属技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee无线通讯协议的物联网智能家居系统的装置和方法，它广泛应用于家庭自动化领域。

背景技术

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、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，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

X-10电力载波电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。优点：安装简便，成本低。缺点：稳定性差，受电力杂波的影响大。

无线系统，无线系统顾名思义，无线系统指的是控制信号不通过线，而通过电波传递的一种方式，比如RF、Z-WAVE、WIFI，目前，没有单独采用WIFI的厂家，而是采用WIFI+总线的控制方式。优点：无需布控制线，安装灵活，成本介于电力线载波和总线系统之间。缺点：易受外界环境的干扰，安全性较差.

总线系统，总线系统是通过一根总线将所有的执行器(调光器，继电器等)和人机界面(面板，触摸屏等)连接在一起，所组成的控制系统。优点：系统稳定，可靠性最高。缺点：造价最贵。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。上述优点和特性使它非常适合应用于家庭自动化领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决上述问题的方法，它基于ZigBee技术，ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。因此本发明具有全无线双向通讯、可大规模布网、状态可见、互连互通兼容性强、性能稳定等的优点。

为了达到上述目的，本发明基于ZigBee技术且包括如下技术与设备：

用于与各种被控制模块通讯，实现通过控制模块对各家庭设备进行控制和监测并通过控制模块接收来自各家庭设备的状态信息和应急消息的智能家居嵌入式网关。网关对外通过Wi-Fi的形式进行通信，对内主要通过基于ZigBee技术的2.4G进行通信。一些网络设备(例如摄像头等)，通过无线路由转接；网关中部署WEB应用程序，可以实现数据库查看和简单的控制管理；网关集成GPRS，可以实现短信通知功能。

用于与家庭各种红外设备及其它无线设备进行通讯的基于ZigBee技术的无线转发模块，它接收来自网关的ZigBee控制命令，对各种家用红外遥控设备和其它无线设备进行直接控制，或者通过控制红外遥控插座和其它无线遥控插座间接控制不具备红外遥控和其它无线遥控功能的设备。

用于网关经路由器转接通过WiFi或者有线方式与家庭各种监控设备和门禁系统进行通讯和网关直接通过ZigBee无线通讯方式与各种家庭安防传感设备进行通讯的智能安防系统模块，它还会将各种应急消息通过网关推送到客户端。

用于与家庭各种灯具进行通讯并对其接通、断开和强度进行调节并可以通过光照传感器进行自动调节的智能灯光系统模块。

用于与家庭窗帘设备进行通讯并对其进行控制的智能窗帘控制模块。

用于与各种家庭音乐设备及家庭影院设备进行通讯并对其进行控制的智能影音系统模块。

用于对各种家庭环境监测传感器进行通讯并将其应急消息通过网关推送至客户端的基于ZigBee技术的室内环境监测系统模块。

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览，实现部分控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的手机终端。

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览以及网关配置任务，实现全部控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的PC终端。

用于实现对各类设备进行控制，并提供友好的UI界面，且主要用Wi-Fi通过设置网关IP地址、各类网络摄像头IP地址，实现信息交互功能的平板客户端。

所述智能家居网关主要包括：

电源；

用于处理数据信息、命令信息和控制信息的处理器；

用于存放系统系统启动代码、系统内核和用户应用程序等数据的存储器和用于存放正在和正待运行数据的存储器；

用于接入互联网的以太网芯片；

用于直接手机短信通知功能的GPRS模块；

用于连接无线网络的无线网卡；

用于和无线发射模块进行通讯的串口模块；

用于将网关数据发射出去并接受来自各被控制模块数据信息的基于ZigBee技术的无线发射接收模块。

用于和电脑进行连接的USB接口模块：

用于进行人机交互的触摸屏。

所述无线转发模块主要包括：

具有6个红外发射头可实现全方位控制的红外发射模块；

用于红外、315MHZ无线、433MHZ无线学习电器遥控器按键编码的学习模块；

用于对315MHZ无线、433MHZ无线进行发射的无线发射模块；

用于将转发数据信息传送至智能家居网关并将网关控制命令进行转发的基于ZigBee技术的发射接收模块。

所述安防模块主要包括：

用于将安防设备信息传送至网关并将网关控制命令发送至安防设备的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于通过WIFI或有线方式和家庭监控设备及门禁系统进行通讯，将网关控制命令发送至监控设备及门禁系统并将监控设备信息及门禁系统状态信息传送至网关的路由器；

用于手机直接访问监控设备并将监控设备数据直接发送至手机客户端的3G模块。

所述智能灯光系统模块主要包括：

用于接收来自无线转发模块命令消息的无线接收模块；

用于控制灯光开启和关断并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的继电器模块；

用于控制灯光光线强弱并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的调光器模块；

用于感受外界光线强弱并能通过网关对灯光光线强弱进行控制的光照传感器模块。

所述智能窗帘控制模块主要包括：

用于接收来自无线转发模块命令消息的无线接收模块；

用于对窗帘设备进行控制并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的控制器模块。

所述智能影音系统模块主要包括：

用于和网关进行无线通讯的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于与各种家庭音乐设备及家庭影院设备进行通讯并对其进行控制的视音频模块。

所述室内环境监测系统模块主要包括：

用于将环境状态信息传送至网关并将网关控制命令发送至各环境监测模块的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于收集各环境指标数据的各种传感器模块。

所述智能手机终端是：

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览，实现部分控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的手机终端

所述PC终端是：

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览以及网关配置任务，实现全部控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的PC终端。

所述平板客户端是：

用于实现对各类设备进行控制，并提供友好的UI界面，且主要用Wi-Fi通过设置网关IP地址、各类网络摄像头IP地址，实现信息交互功能的平板客户端。

本发明的有益效果是：

第一、采用了最新的无线通讯技术，引用了IEEE802.15.4技术规范。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、短时延、网络容量大、可靠、安全的无线网络技术。因此本系统具有全无线双向通讯、可大规模布网、状态可见、互联互通兼容性强，产品稳定，用户DIY等的优点。

第二、智能家居网关是一种混合通讯结构，通过Web服务器和浏览器可以很好的实现无线传感网络和互联网的动态数据交互。相比于上位机PC网关它更好的解决了成本和体积问题。相比于协议转换网关其具有易开发，易使用和易扩展的特点。

第三、系统节点之间组网采用自组网和动态路由机制，有效避免了由于单一连接通道断开而使节点掉线的情况，大大提高网络连接的稳定可靠性。

第四、以网关为中心的数据加密和认证机制来保证数据和用户安全。一方面基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性，保证了设备加入网络安全。另一方面，用户需采用密钥才能访问网络，对于安全性较高的设备的访问采用双层深度加密技术。

附图说明

图1是物联网智能家居系统示意图；

图2是网关硬件结构示意图；

图3是无线转发模块示意图；

图4是灯光控制系统模块示意图；

图5是窗帘控制模块示意图；

图6是环境监测系统模块示意图；

图7是安防系统模块示意图；

图8是影音系统模块示意图。

具体实施方式

本发明提出一种新型智能家居系统，为了方便实施本发明，下面结合附图说明该方法的具体实施过程，但本发明的实施方式不限于此。

一、物联网智能家居的组成

本基于ZigBee技术的智能家居系统除包括多个家庭设备外，还包括：

智能家居网关、无线转发模块、灯光系统模块、窗帘控制模块、安防系统模块、环境监测系统模块、影音系统模块、智能家居终端等。

智能家居网关，用于与各种被控制模块通讯，实现通过控制模块对各家庭设备进行控制和监测并通过控制模块接收来自各家庭设备的状态信息和应急消息。对内主要通过基于ZigBee技术的2.4G进行通信，一些网络设备(例如摄像头等)，通过无线路由转接；对外通过路由器连接互联网。

无线转发模块，用于与家庭各种红外设备进行通讯的基于ZigBee技术的红外转发模块，它接收来自网关的ZigBee控制命令，对各种家用红外遥控设备进行直接控制。或者通过控制红外遥控插座间接控制不具备红外遥控功能的设备。此外还具有433MHZ和315HZ射频转发的功能。

智能安防系统模块，网关经路由器转接后通过WiFi或者有线方式与家庭各种监控设备及门禁系统进行通讯和网关直接通过ZigBee无线通讯方式与各种家庭安防传感设备进行通讯，它还会将各种应急消息通过网关推送至客户端。

智能灯光系统模块，用于与家庭各种灯具进行通讯并对其接通、断开和强度进行调节，并且可以根据光照传感器的光照强度信息进行自动调节。

智能窗帘控制模块，用于与家庭窗帘及门窗设备进行通讯并对其进行控制。

智能影音系统模块，用于与各种家庭音乐设备与家庭影院设备进行通讯并对其进行控制。

环境监测系统模块，用于对各种家庭环境监测传感器进行通讯并将其应急消息通过网关推送至客户端。

智能家居终端，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览以及网关配置任务，实现控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能，并能通过友好的UI界面实现良好的人机交互。

二、智能家居系统功能及实现过程

如图1所示，所述智能家居网关分别和无线转发模块、安防系统模块、环境监测系统模块及影音系统模块相连，并通过无线转发模块和灯光系统模块、带遥控家电及窗帘控制模块相连接。

如图2所示，智能家居网关有处理器、GPRS模块、射频模块、存储器、以太网卡、电源、串口模块、JTAG接口、USB接口、WIFI模块、液晶触控屏及时钟及复位电路组成。

智能家居网关主控芯片采用三星16/32位RISC处理器S3C6410，S3C6410采用了64/32位内部总线架构，其配合以太网芯片能更好的完成网络协议转换和协议转发等的工作要求。存储芯片用于存放系统启动代码、Linux内核、用户应用程序等数据。无线通讯模块采用TI公司CC2530芯片，其结合了领先的RF收发器的优良性能。WiFi模块主要用于和路由器及网络摄像头之间的通讯，当需要保存数据时也可以通过USB接口转存到U盘中。网关集成GPRS，可以实现短信通知功能。液晶触控屏主要用于人机交互。

如图3所示，无线转发模块用于与家庭各种无线设备进行通讯，它接收来自网关的ZigBee控制命令，对各种家用红外遥控设备进行直接控制，或者通过控制红外遥控插座间接控制不具备红外遥控功能的设备。它也具有转发433MHZ和315MHZ射频的功能，因而也能对433MHZ和315MHZ遥控设备进行控制。

如图4所示，灯光控制系统模块用于将无线转发器转发过来的灯光强度控制命令经调光器模块来调节灯光强弱，或者将无线转发器转发过来的灯光通断控制命令经继电器模块来调节灯光的通断。

如图5所示，窗帘控制模块用于将无线转发器转发过来的窗帘控制命令经电机控制器模块转化成电机控制命令，从而来控制门窗及窗帘设备。

如图6所示，室内环境监测系统模块用于将环境传感器采集到的环境指标信息经ZigBee无线通讯模块发送至网关。

如图7所示，智能安防系统模块，网关经路由器转接后通过WiFi或者有线方式与家庭各种监控设备及门禁系统进行通讯和网关直接通过ZigBee无线通讯方式与各种家庭安防传感设备进行通讯。从而实现布防、撤防及监控录像实时查询及历史查询的功能。

如图8所示，网关经过影音系统模块将控制信息发送至背景音乐系统和家庭影院系统，进而对背景音乐系统和家庭影院系统进行控制。

智能家居终端，包括手机和PC基于浏览器方式访问网关中的Web应用及平板客户端、实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览以及网关配置任务，实现控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能，并能通过友好的UI界面实现良好的人机交互。

以上实施例仅为本发明较佳的实施方式，并不用于限制本发明专利。在上述实施中本发明专利可以增减、更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同、组合、简化、替代、改进等均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于ZigBee无线通讯协议的物联网智能家居系统，其特征除包括多个家用电器设备外还包括智能家居网关、控制模块及智能家居终端，其中，所述控制模块通过智能家居网关及互联网连接至所述智能家居终端，并且控制模块接收并执行来自智能家居终端的控制命令。

2.根据权利要求书1所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能家居网关主要包括：

电源；

用于处理数据信息、命令信息和控制信息的处理器；

用于存放系统系统启动代码、系统内核和用户应用程序等数据的存储器和用于存放正在和正待运行数据的存储器；

用于接入互联网的以太网芯片；

用于直接手机短信通知功能的GPRS模块；

用于连接无线网络的无线网卡；

用于和无线发射模块进行通讯的串口模块；

用于将网关数据发射出去并接受来自各被控制模块数据信息的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于和电脑进行连接的USB接口模块；

用于进行人机交互的触摸屏。

3.根据权利要求书1所述物联网智能家居系统，其特征在于所述控制模块主要包括：

用于与家庭各种红外设备及其它无线设备进行通讯的基于ZigBee技术的无线转发模块，它接收来自网关的ZigBee控制命令，对各种家用红外遥控设备和其它无线设备进行直接控制，或者通过控制红外遥控插座和其它无线遥控插座间接控制不具备红外遥控和其它无线遥控功能的设备；

用于网关经路由器转接通过WiFi或者有线方式与家庭各种监控设备和门禁系统进行通讯和网关直接通过ZigBee无线通讯方式与各种家庭安防传感设备进行通讯的智能安防系统模块，它还会将各种应急消息通过网关推送到客户端；

用于与家庭各种灯具进行通讯并对其通断和强度进行调节并可以通过光照传感器进行自动调节的智能灯光系统模块；

用于与家庭门窗及窗帘设备进行通讯并对其进行控制的智能窗帘控制模块；

用于与各种家庭音乐设备及家庭影院设备进行通讯并对其进行控制的智能影音系统模块；

用于对各种家庭环境监测传感器进行通讯并将其应急消息通过网关推送至客户端的室内环境监测系统模块。

4.根据权利要求书1所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能家居终端主要包括：

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览，实现部分控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的手机终端

用于通过基于浏览器方式访问网关中的Web应用，实现各类设备实时状态信息及历史信息浏览以及网关配置任务，实现全部控制功能及通过网关实现网络摄像头视频查看功能的PC终端。

用于实现对各类设备进行控制，并提供友好的UI界面，且主要用Wi-Fi通过设置网关IP地址、各类网络摄像头IP地址，实现信息交互功能的平板客户端。

5.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述无线转发模块主要包括：

具有6个红外发射头可实现全方位控制的红外发射模块；

用于红外、315MHZ无线、433MHZ无线学习电器遥控器按键编码的学习模块；

用于对315MHZ无线、433MHZ无线进行发射的无线发射模块；

用于将转发数据信息传送至智能家居网关并将网关控制命令进行转发的基于ZigBee技术的发射接收模块。

6.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能安防系统模块主要包括：

用于将安防设备信息传送至网关并将网关控制命令发送至安防设备的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于通过WIFI或有线方式和家庭监控设备及门禁系统进行通讯，将网关控制命令发送至监控设备及门禁系统并将监控设备信息及门禁系统状态信息传送至网关的路由器；用于手机直接访问监控设备并将监控设备数据直接发送至手机客户端的3G模块。

7.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能灯光系统模块主要包括：

用于接收来自无线转发模块命令消息的无线接收模块；

用于控制灯光开启和关断并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的继电器模块；

用于控制灯光光线强弱并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的调光器模块；

用于感受外界光线强弱并能通过网关对灯光光线强弱进行控制的光照传感器模块。

8.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能窗帘控制模块主要包括：

用于接收来自无线转发模块命令消息的无线接收模块；

用于对窗帘设备进行控制并能通过无线接收模块及转发器和网关进行通讯的控制器模

块。

9.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述智能影音系统模块主要包括：

用于和网关进行无线通讯的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于与各种家庭音乐设备及家庭影院设备进行通讯并对其进行控制的视音频模块。

10.根据权利要求书3所述物联网智能家居系统，其特征在于所述室内环境监测系统模块主要包括：

用于将环境状态信息传送至网关并将网关控制命令发送至各环境监测模块的基于ZigBee技术的无线发射接收模块；

用于收集各环境指标数据的各种传感器模块。

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