基于RaspberryPi和Zigbee技术的无线智能家居系统设计

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继计算机、互联网之后,物联网被称为世界信息产业发展历程中的又一次技术性革命。将智能家居相关设备与互联网连接,可以实现丰富的应用模式与场景,可以说物联网技术的兴起将智能家居应用推向新的发展水平。

目前各厂商、研究机构提出了各种智能家居方案,基本都以嵌入式网关或PC来将系统接入互联网,通过网关实现与智能家居各系统的通讯。将扩展性较强、基于linux系统的开源硬件Raspberry Pi 作为智能家居的网关,采用ZigBee,Wi-Fi等无线通讯技术作为主要通讯方式,同时利用物联网应用yeelink搭建智能家居管理系统,可以达到较好效果。本文提出一种基于开源软硬件和成熟的物联网网上应用的智能家居系统设计方案。

1 系统总体架构设计

系统主要包括Raspberry pi(家庭网关)、Zigbee模块(协调器)、

wifi模块、Zigbee终端设备(如移动探测器、火灾报警器和烟感燃气探测器等)和wifi终端设备(如网络电视、背景音乐主机、具备wifi功

能的电气等),管理系统采用yeelink成熟应用,参见其结构如图1所示。

其中嵌入式网关通过无线模块(Wi-Fi、Zigbee无线模块)与各传感器、智能设备进行通信。网关与因特网连接,用户通过互联网使用yeelink提供的web端、移动设备端软件对智能设备进行控制,对室内情况(温湿度、安全警报)进行监控。

2 网关硬件架构

系统采用树莓派(Raspberry pi)作为网关服务器,通过配置扩展板使用RS232接口与Zigbee协调器模块连接,使用usb接口与wifi 模块连接。具体硬件结构图2如下:

2.1 控制器模块

Raspberry pi是整个嵌入式家庭网关的核心,用来与Zigbee通

信模块连接后,接收Zigbee终端节点的数据,与 wifi通讯模块连接后,通过无线局域网与Internet网络连接,同时具有wifi功能的设备也联入无线局域网。

Raspberry Pi是一款基于Linux系统的只有一张信用卡大小的单板机电脑。它配备一枚700MHz博通出产的ARM架构BCM2835

作者简介:邢波(1981—),男,学历:本科;职称:工程师;主要研究方向:信息系统建设。

基于Raspberry Pi、

Zigbee 技术的无线智能家居系统设计

邢波

(文化部信息中心 北京 100020)

摘要:在物联网技术兴起的背景中,提出了一个基于开源硬件Raspberry Pi的智能家居网关。该网关以ARM11嵌入式处理器为核心,Debian Linux 为操作系统,采用主流的Zigbee、Wi—Fi无线通信技术,以满足家庭远程监控、家庭安防和家电控制的个性化需求。在Raspberry Pi通过扩展wi—Fi模块与Zigbee模块实现家庭内部无线网络的建立以及与Internet的连接,并给出了硬件组成结构和软件实现流程。

关键词:Zigbee Wi—Fi Raspberry Pi 中图分类号:TP273.5文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2014)06-0059-02

图1 系统总体结构

Raspberr y pi （控制器）

UART 1

HDMI GPIO

USB2.0

WI 图2 网关硬件结构

Ra spberry pi 系统上电

li nux 系统初始化

读传感器数据

是否为最后一

个？

否

推送至yeeli nk

是

处理后存入txt 文件

图3 软件处理流程

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常会遇到一些情况不明,难以辨认的问题,因此在对现有的实际环境进行分析和研究的基础之上,必须借助一定的仪器和设备来进行,尽量从细微之处着手,找到干扰源,才能实行相应的抵御措施。

3.2 更新通信设备

很多设备对无线通信传输能产生明显的干扰作用,比如我们在打电话时,广播电台、收音机在开启的状态下会对手机的通信信号形成干扰,在电话声音中常常会挺高刺耳的噪音,手机信号接受不全面等,而收音机也会产生乱七八糟的声音。因此针对这种情况,首先要更新通信设备的抗电磁波频率干扰能力,从通信设备的基本装置着手包括接收器、发射器、调频器以及信号转换器等,尽量更新为性能高的装置,然后对无线通信设备的信号连接方式进行合理优化,使其与更新装置后的无线通信设备相吻合;其次,在使用一项通信设备时,尽量关闭其他通信设备,比如在打电话时可将收音机关闭。

3.3 创新通信技术

通信技术创新是推动通信事业不断前进和发展的唯一途径,技术的创新无论是对于解决无线通信传输的干扰问题,还是提升无线通信的质量,都具有跨时代的伟大意义[3]。比如近几年研制出来的WIFI信号技术,这是一种将无线终端如PC终端、手机、平板电脑通过无线信号的方式连接在一起的通信技术,可以有效减少无线通信信号传输过程中的干扰问题,WIFI信号成功地将动态波束与小型智能天线结合在一起,实现了信号的互通互联,有效解决了因周围环境的限制而引起的信号中断、信号干扰等问题。

3.4 更新通信网络系统

通信网络系统的更新和改造需要各个通信网络公共同升级更

新各自的通信网络系统,尽量减少不同组网之间的互调干扰。因此各大通信网络公司首先要对自身的通信网络系统进行深度改造,信号发射塔尽量选择建在干扰源少、噪音小的空旷地带,通信网络系统采用硬件设施必须严格排查,如有发现异常立即更新装备。为了能够给无线通信创建一个优质的工作环境,增强通信网络抵御外界环境的干扰,应建立一个高频高效的通信网络系统,让无线通信网络系统能够灵活、敏捷地抵御外来干扰,保证通信信号传输正常。

4 结语

无线通信技术在社会生产力发展的角度上而言,可谓是一场新的技术革命,他不断革新人们生产和生活的方式,不断提高生产效率和人们的生活质量。现代经济社会的可持续健康发展已经离不开无线通信技术,而人们对无线通信设备也产生了很强的依赖性。但是无线通信在信息传输过程中会出现很多干扰问题,为了解决这些干扰源问题,通信行业从业人员必须严格排查感染源,不断更新通信设备和通信系统,来增强无线通信网络抗干扰能力,确保无线通信能够更好地为人们服务。参考文献

[1]李海涛.地铁无线通信系统干扰分析及抗扰措施的探讨[J].中国新通信,2013(15):189-190.

[2]旻论雯.无线通信中传输干扰源的防御措施[J].信息通信,2013(5):245-246.

[3]马忠义.无线通信中传输干扰源的防御措施[J].信息通信,2013(2):252-253.

处理器,512M B 内存,使用S D 卡当作存储媒体,且拥有一个Ethernet,两个USB接口,以及HDMI(支持声音输出)和RCA端子输出支持,运行基于Debian的Linux操作系统。通过配置DVK511外扩板,支持各类外围模块的接入,包括UART接口,如RS232、RS485、USB TO UART模块等。

2.2 Zigbee组网模块

在智能家居系统中,采用Zigbee无线通信技术进行无线通讯将成为主流。ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。他的优势主要有三点,一是组网方便,智能,可以实现室内空间无线智能局域网。二是终端设备能耗小,理论是两节五号电池可以支持Zigbee协议芯片半年到两年使用。三是成本低,协议简单,使用2.5G频段,并免收专利费。此次使用的Zigbee终端节点包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及烟感和燃气泄露探测器等。Zigbee模块采用JENNIC公司的JN5139,这是与IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本无线控制模块。该模块与Raspberry Pi扩展板中的UARTl相连,设置相应波特率后实现数据传输。

2.3 wifi通讯模块

wifi通讯模块用威盛的VT6656芯片实现数据的远程传输,VT6656与Raspberry Pi通过标准的USB接口直接相连。

3 系统软件架构

软件系统主要分为两个部分,一是基于linux的系统控制软件,二是基于成熟互联网应用yeelink的页面展示及控制模块。两者通过yeelink提供的API进行数据交换。

3.1 基于linux的系统控制

网关核心控制部分在Raspberry Pi上完成,我们采用python 代码进行编写。系统按功能划分为模块,不同应用模块处理流程也不同。由于篇幅限制,只介绍实时监控类应用,实时监控主要应用为温、湿度等数据的实时探测、传输。系统软件通过传感器终端读取相

应数据,处理后以json格式存入文本,再将其推送至yeelink网站。

3.2 基于yeelink页面展示及控制

Yeeklink是一个开放的公共物联网接入平台,目的是使传感器数据的接入、存储和展现变得轻松简单。此次页面展示及控制采用Yeelink网站提供的应用来完成,这样做的考虑是该网站应用较为成熟,且支持多屏显示(web、app等),可以大大减少重复工作量,界面也较为友好。按照不同的应用场景使用该网站提供的API进行控制,这里介绍温湿度数据的显示、统计及报警。注册用户后,添加设备,并获取U-ApiKey及传感器的URL。然后在网关系统控制软件中写入相应API链接,并例如U-ApiKey,登陆yeelink后,即可监测到实时的温湿度数据。

4 结语

本文提出的基于Paspberry Pi开源硬件实现智能家居系统支持中wifi、Zigbee等无线通讯方式的设备进行统一管理的技术方案,具备以下优点:一是与一般解决方案中网关使用单片机相比平台使用开源硬件,形成一个开放、可扩展的标准,有利于发挥各个开发者及单位的力量,使之成为公认的智能家居的标准。二是采用linux系统,相比于windows平台可以保证信息安全,具有进一步软件扩展的空间。三是采用yeelink成熟的物联网应用,在实现较好用户体验的同时大大减少工作量。参考文献

[1]满莎,杨恢先,彭友,王绪四等.基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J].计算机应用,2010,(9):2541-2544.

[2]包长春,李志红,张立山,李国昉,伦翠芬,李艳萍,蔺志鹏等.基于ZigBee 技术的粮库监测系统设计[J].农业工程学报,2009,(9):197-201.

[3]陈儒敏,侯思名,颜江等.基于开源软硬件的智能家居系统设计与实现[J].现代计算机,2013,(19):71-73.

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