專利名稱：基于ZigBee無線通訊協議的物聯網智能家居系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于ZigBee無線通訊協議的物聯網智能家居系統的裝置和方法，它廣泛應用于家庭自動化領域。
背景技術：
智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。X-1O電力載波電力線載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。優點安裝簡便，成本低。缺點穩定性差，受電力雜波的影響大。無線系統，無線系統顧名思義，無線系統指的是控制信號不通過線，而通過電波傳遞的一種方式，比如RF、Z-WAVE、WIFI，目前，沒有單獨采用WIFI的廠家，而是采用WIFI+總線的控制方式。優點無需布控制線，安裝靈活，成本介于電力線載波和總線系統之間。缺點易受外界環境的干擾，安全性較差.總線系統，總線系統是通過一根總線將所有的執行器(調光器，繼電器等)和人機界面(面板，觸摸屏等)連接在一起，所組成的控制系統。優點系統穩定，可靠性最高。缺點造價最貴。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。上述優點和特性使它非常適合應用于家庭自動化領域。
發明內容
本發明的目的在于提供一種解決上述問題的方法，它基于ZigBee技術，ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術。因此本發明具有全無線雙向通訊、可大規模布網、狀態可見、互連互通兼容性強、性能穩定等的優點。為了達到上述目的，本發明基于ZigBee技術且包括如下技術與設備用于與各種被控制模塊通訊，實現通過控制模塊對各家庭設備進行控制和監測并通過控制模塊接收來自各家庭設備的狀態信息和應急消息的智能家居嵌入式網關。網關對外通過W1-Fi的形式進行通信，對內主要通過基于ZigBee技術的2. 4G進行通信。一些網絡設備(例如攝像頭等)，通過無線路由轉接；網關中部署WEB應用程序，可以實現數據庫查看和簡單的控制管理；網關集成GPRS，可以實現短信通知功能。用于與家庭各種紅外設備及其它無線設備進行通訊的基于ZigBee技術的無線轉發模塊，它接收來自網關的ZigBee控制命令，對各種家用紅外遙控設備和其它無線設備進行直接控制，或者通過控制紅外遙控插座和其它無線遙控插座間接控制不具備紅外遙控和其它無線遙控功能的設備。用于網關經路由器轉接通過WiFi或者有線方式與家庭各種監控設備和門禁系統進行通訊和網關直接通過ZigBee無線通訊方式與各種家庭安防傳感設備進行通訊的智能安防系統模塊，它還會將各種應急消息通過網關推送到客戶端。用于與家庭各種燈具進行通訊并對其接通、斷開和強度進行調節并可以通過光照傳感器進行自動調節的智能燈光系統模塊。用于與家庭窗簾設備進行通訊并對其進行控制的智能窗簾控制模塊。用于與各種家庭音樂設備及家庭影院設備進行通訊并對其進行控制的智能影音系統模塊。用于對各種家庭環境監測傳感器進行通訊并將其應急消息通過網關推送至客戶端的基于ZigBee技術的室內環境監測系統模塊。用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽，實現部分控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的手機終端。用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽以及網關配置任務，實現全部控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的PC終端。用于實現對各類設備進行控制，并提供友好的UI界面，且主要用W1-Fi通過設置網關IP地址、各類網絡攝像頭IP地址，實現信息交互功能的平板客戶端。所述智能家居網關主要包括電源；用于處理數據信息、命令信息和控制信息的處理器；用于存放系統系統啟動代碼、系統內核和用戶應用程序等數據的存儲器和用于存放正在和正待運行數據的存儲器；用于接入互聯網的以太網芯片；用于直接手機短信通知功能的GPRS模塊；用于連接無線網絡的無線網卡；用于和無線發射模塊進行通訊的串口模塊；用于將網關數據發射出去并接受來自各被控制模塊數據信息的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊。用于和電腦進行連接的USB接口模塊用于進行人機交互的觸摸屏。所述無線轉發模塊主要包括具有6個紅外發射頭可實現全方位控制的紅外發射模塊；用于紅外、315MHZ無線、433MHZ無線學習電器遙控器按鍵編碼的學習模塊；用于對315MHZ無線、433MHZ無線進行發射的無線發射模塊；用于將轉發數據信息傳送至智能家居網關并將網關控制命令進行轉發的基于ZigBee技術的發射接收模塊。所述安防模塊主要包括用于將安防設備信息傳送至網關并將網關控制命令發送至安防設備的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊；用于通過WIFI或有線方式和家庭監控設備及門禁系統進行通訊，將網關控制命令發送至監控設備及門禁系統并將監控設備信息及門禁系統狀態信息傳送至網關的路由器；用于手機直接訪問監控設備并將監控設備數據直接發送至手機客戶端的3G模塊。所述智能燈光系統模塊主要包括用于接收來自無線轉發模塊命令消息的無線接收模塊；用于控制燈光開啟和關斷并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的繼電器模塊；用于控制燈光光線強弱并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的調光器模塊；用于感受外界光線強弱并能通過網關對燈光光線強弱進行控制的光照傳感器模塊。所述智能窗簾控制模塊主要包括用于接收來自無線轉發模塊命令消息的無線接收模塊；用于對窗簾設備進行控制并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的控制器模塊。所述智能影音系統模塊主要包括用于和網關進行無線通訊的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊；用于與各種家庭音樂設備及家庭影院設備進行通訊并對其進行控制的視音頻模塊。所述室內環境監測系統模塊主要包括用于將環境狀態信息傳送至網關并將網關控制命令發送至各環境監測模塊的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊；用于收集各環境指標數據的各種傳感器模塊。所述智能手機終端是用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽，實現部分控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的手機終端所述PC終端是用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽以及網關配置任務，實現全部控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的PC終端。所述平板客戶端是用于實現對各類設備進行控制，并提供友好的UI界面，且主要用W1-Fi通過設置網關IP地址、各類網絡攝像頭IP地址，實現信息交互功能的平板客戶端。本發明的有益效果是第一、采用了最新的無線通訊技術,引用了 IEEE802. 15. 4技術規范。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本、短時延、網絡容量大、可靠、安全的無線網絡技術。因此本系統具有全無線雙向通訊、可大規模布網、狀態可見、互聯互通兼容性強，產品穩定，用戶DIY等的優點。第二、智能家居網關是一種混合通訊結構，通過Web服務器和瀏覽器可以很好的實現無線傳感網絡和互聯網的動態數據交互。相比于上位機PC網關它更好的解決了成本和體積問題。相比于協議轉換網關其具有易開發，易使用和易擴展的特點。第三、系統節點之間組網采用自組網和動態路由機制，有效避免了由于單一連接通道斷開而使節點掉線的情況，大大提高網絡連接的穩定可靠性。第四、以網關為中心的數據加密和認證機制來保證數據和用戶安全。一方面基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了 AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性，保證了設備加入網絡安全。另一方面，用戶需采用密鑰才能訪問網絡，對于安全性較高的設備的訪問采用雙層深度加密技術。
圖1是物聯網智能家居系統示意圖；圖2是網關硬件結構示意圖；圖3是無線轉發模塊示意圖；圖4是燈光控制系統模塊示意圖；圖5是窗簾控制模塊示意圖；圖6是環境監測系統模塊示意圖；圖7是安防系統模塊示意圖；圖8是影首系統模塊不意圖。
具體實施例方式本發明提出一種新型智能家居系統，為了方便實施本發明，下面結合
該方法的具體實施過程，但本發明的實施方式不限于此。一、物聯網智能家居的組成本基于ZigBee技術的智能家居系統除包括多個家庭設備外，還包括智能家居網關、無線轉發模塊、燈光系統模塊、窗簾控制模塊、安防系統模塊、環境監測系統模塊、影音系統模塊、智能家居終端等。智能家居網關，用于與各種被控制模塊通訊，實現通過控制模塊對各家庭設備進行控制和監測并通過控制模塊接收來自各家庭設備的狀態信息和應急消息。對內主要通過基于ZigBee技術的2. 4G進行通信，一些網絡設備(例如攝像頭等)，通過無線路由轉接；對外通過路由器連接互聯網。無線轉發模塊，用于與家庭各種紅外設備進行通訊的基于ZigBee技術的紅外轉發模塊，它接收來自網關的ZigBee控制命令，對各種家用紅外遙控設備進行直接控制。或者通過控制紅外遙控插座間接控制不具備紅外遙控功能的設備。此外還具有433MHZ和315HZ射頻轉發的功能。智能安防系統模塊，網關經路由器轉接后通過WiFi或者有線方式與家庭各種監控設備及門禁系統進行通訊和網關直接通過ZigBee無線通訊方式與各種家庭安防傳感設備進行通訊，它還會將各種應急消息通過網關推送至客戶端。智能燈光系統模塊，用于與家庭各種燈具進行通訊并對其接通、斷開和強度進行調節，并且可以根據光照傳感器的光照強度信息進行自動調節。智能窗簾控制模塊，用于與家庭窗簾及門窗設備進行通訊并對其進行控制。·
智能影音系統模塊，用于與各種家庭音樂設備與家庭影院設備進行通訊并對其進行控制。環境監測系統模塊，用于對各種家庭環境監測傳感器進行通訊并將其應急消息通過網關推送至客戶端。智能家居終端，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽以及網關配置任務，實現控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能，并能通過友好的Π界面實現良好的人機交互。二、智能家居系統功能及實現過程如圖1所示，所述智能家居網關分別和無線轉發模塊、安防系統模塊、環境監測系統模塊及影音系統模塊相連，并通過無線轉發模塊和燈光系統模塊、帶遙控家電及窗簾控制模塊相連接。如圖2所示，智能家居網關有處理器、GPRS模塊、射頻模塊、存儲器、以太網卡、電源、串口模塊、JTAG接口、USB接口、WIFI模塊、液晶觸控屏及時鐘及復位電路組成。智能家居網關主控芯片采用三星16/32位RISC處理器S3C6410，S3C6410采用了64/32位內部總線架構，其配合以太網芯片能更好的完成網絡協議轉換和協議轉發等的工作要求。存儲芯片用于存放系統啟動代碼、Linux內核、用戶應用程序等數據。無線通訊模塊采用TI公司CC2530芯片，其結合了領先的RF收發器的優良性能。WiFi模塊主要用于和路由器及網絡攝像頭之間的通訊，當需要保存數據時也可以通過USB接口轉存到U盤中。網關集成GPRS，可以實現短信通知功能。液晶觸控屏主要用于人機交互。如圖3所示，無線轉發模塊用于與家庭各種無線設備進行通訊，它接收來自網關的ZigBee控制命令，對各種家用紅外遙控設備進行直接控制，或者通過控制紅外遙控插座間接控制不具備紅外遙控功能的設備。它也具有轉發433MHZ和315MHZ射頻的功能，因而也能對433MHZ和315MHZ遙控設備進行控制。如圖4所示，燈光控制系統模塊用于將無線轉發器轉發過來的燈光強度控制命令經調光器模塊來調節燈光強弱，或者將無線轉發器轉發過來的燈光通斷控制命令經繼電器模塊來調節燈光的通斷。如圖5所示，窗簾控制模塊用于將無線轉發器轉發過來的窗簾控制命令經電機控制器模塊轉化成電機控制命令，從而來控制門窗及窗簾設備。如圖6所示，室內環境監測系統模塊用于將環境傳感器采集到的環境指標信息經ZigBee無線通訊模塊發送至網關。如圖7所示，智能安防系統模塊，網關經路由器轉接后通過WiFi或者有線方式與家庭各種監控設備及門禁系統進行通訊和網關直接通過ZigBee無線通訊方式與各種家庭安防傳感設備進行通訊。從而實現布防、撤防及監控錄像實時查詢及歷史查詢的功能。如圖8所示，網關經過影音系統模塊將控制信息發送至背景音樂系統和家庭影院系統，進而對背景音樂系統和家庭影院系統進行控制。
智能家居終端，包括手機和PC基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用及平板客戶端、實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽以及網關配置任務，實現控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能，并能通過友好的Π界面實現良好的人機交互。以上實施例僅為本發明較佳的實施方式，并不用于限制本發明專利。在上述實施 中本發明專利可以增減、更改和變化。凡在本發明專利的精神和原則之內，所做的任何修改、等同、組合、簡化、替代、改進等均應包含在本發明專利的保護范圍之內。
權利要求
1.基于ZigBee無線通訊協議的物聯網智能家居系統，其特征除包括多個家用電器設備外還包括智能家居網關、控制模塊及智能家居終端，其中，所述控制模塊通過智能家居網關及互聯網連接至所述智能家居終端，并且控制模塊接收并執行來自智能家居終端的控制命令。
2.根據權利要求書I所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能家居網關主要包括 電源； 用于處理數據信息、命令信息和控制信息的處理器； 用于存放系統系統啟動代碼、系統內核和用戶應用程序等數據的存儲器和用于存放正在和正待運行數據的存儲器； 用于接入互聯網的以太網芯片； 用于直接手機短信通知功能的GPRS模塊； 用于連接無線網絡的無線網卡； 用于和無線發射模塊進行通訊的串口模塊； 用于將網關數據發射出去并接受來自各被控制模塊數據信息的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊； 用于和電腦進行連接的USB接口模塊； 用于進行人機交互的觸摸屏。
3.根據權利要求書I所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述控制模塊主要包括 用于與家庭各種紅外設備及其它無線設備進行通訊的基于ZigBee技術的無線轉發模塊，它接收來自網關的ZigBee控制命令，對各種家用紅外遙控設備和其它無線設備進行直接控制，或者通過控制紅外遙控插座和其它無線遙控插座間接控制不具備紅外遙控和其它無線遙控功能的設備； 用于網關經路由器轉接通過WiFi或者有線方式與家庭各種監控設備和門禁系統進行通訊和網關直接通過ZigBee無線通訊方式與各種家庭安防傳感設備進行通訊的智能安防系統模塊，它還會將各種應急消息通過網關推送到客戶端； 用于與家庭各種燈具進行通訊并對其通斷和強度進行調節并可以通過光照傳感器進行自動調節的智能燈光系統模塊； 用于與家庭門窗及窗簾設備進行通訊并對其進行控制的智能窗簾控制模塊； 用于與各種家庭音樂設備及家庭影院設備進行通訊并對其進行控制的智能影音系統模塊； 用于對各種家庭環境監測傳感器進行通訊并將其應急消息通過網關推送至客戶端的室內環境監測系統模塊。
4.根據權利要求書I所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能家居終端主要包括 用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽，實現部分控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的手機終端 用于通過基于瀏覽器方式訪問網關中的Web應用，實現各類設備實時狀態信息及歷史信息瀏覽以及網關配置任務，實現全部控制功能及通過網關實現網絡攝像頭視頻查看功能的PC終端。
用于實現對各類設備進行控制，并提供友好的UI界面，且主要用W1-Fi通過設置網關IP地址、各類網絡攝像頭IP地址，實現信息交互功能的平板客戶端。
5.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述無線轉發模塊主要包括 具有6個紅外發射頭可實現全方位控制的紅外發射模塊； 用于紅外、315MHZ無線、433MHZ無線學習電器遙控器按鍵編碼的學習模塊； 用于對315MHZ無線、433MHZ無線進行發射的無線發射模塊； 用于將轉發數據信息傳送至智能家居網關并將網關控制命令進行轉發的基于ZigBee技術的發射接收模塊。
6.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能安防系統模塊主要包括 用于將安防設備信息傳送至網關并將網關控制命令發送至安防設備的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊； 用于通過WIFI或有線方式和家庭監控設備及門禁系統進行通訊，將網關控制命令發送至監控設備及門禁系統并將監控設備信息及門禁系統狀態信息傳送至網關的路由器；用于手機直接訪問監控設備并將監控設備數據直接發送至手機客戶端的3G模塊。
7.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能燈光系統模塊主要包括 用于接收來自無線轉發模塊命令消息的無線接收模塊； 用于控制燈光開啟和關斷并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的繼電器模塊； 用于控制燈光光線強弱并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的調光器模塊； 用于感受外界光線強弱并能通過網關對燈光光線強弱進行控制的光照傳感器模塊。
8.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能窗簾控制模塊主要包括 用于接收來自無線轉發模塊命令消息的無線接收模塊； 用于對窗簾設備進行控制并能通過無線接收模塊及轉發器和網關進行通訊的控制器模 塊。
9.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述智能影音系統模塊主要包括 用于和網關進行無線通訊的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊； 用于與各種家庭音樂設備及家庭影院設備進行通訊并對其進行控制的視音頻模塊。
10.根據權利要求書3所述物聯網智能家居系統，其特征在于所述室內環境監測系統模塊主要包括 用于將環境狀態信息傳送至網關并將網關控制命令發送至各環境監測模塊的基于ZigBee技術的無線發射接收模塊；用于收集各環境指標數 據的各種傳感器模塊。
全文摘要
本發明公布了一種基于ZigBee技術的智能家居系統，除包含多個家用設備外，它還包括智能家居網關及無線轉發模塊、安防系統模塊、燈光系統模塊、窗簾控制模塊、環境監測系統模塊及影音系統模塊；智能家居網關接收來自終端的控制命令并形成ZigBee數據幀格式的命令，然后經ZigBee射頻模塊發射出去，各控制模塊接收到或經無線轉發接收到來自終端的控制命令后對家用電器設備進行控制。并且各控制模塊之間可以互為路由，從而大大提高了網絡連接的穩定性。本發明具有全無線雙向通訊、可大規模布網、狀態可見、兼容性強、性能穩定、升級方便、安全等優點。
文檔編號G05B19/418GK103019181SQ20121046994
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者程亮, 崔海偉 申請人:程亮