智慧家居閘道器綜合系統的設計與實現論文
1 概述
隨著計算機技術、網路技術、無線通訊技術的不斷成熟，物聯網開始應用於社會各個領域，並不斷改變著人們的生活和生產方式。智慧家居系統，是物聯網不斷普及時代應運而生的典型智慧工程案例，通過應用短距離無線通訊方式，將感測器、家用電器、多媒體等裝置互聯，實現資料的集中管理與控制。智慧家居系統採用嵌入式技術，使用閘道器感測節點和平臺管理軟體對資料進行採集、傳輸與管理。在智慧家居系統中，智慧閘道器作為統一收集家居環境中各電氣裝置的資訊及執行狀態的重要裝置，對整個智慧家居系統的效能起著關鍵性作用。通過智慧閘道器，實現家居系統中各個節點互聯，使用者可以隨時隨地檢視居室環境、控制家庭中的電氣裝置。因此，採用當前主流傳輸技術——無線射頻收發技術及嵌入式管理平臺，設計基於ZigBee 技術的智慧家居閘道器綜合系統，對開發及優化智慧家居系統具有重要意義。
2 智慧家居閘道器綜合系統設計
2.1 智慧家居系統功能分析
結合實際應用，智慧家居系統主要實現安全監測、資訊獲取、節點控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智慧控制等智慧子系統。
(1)家庭安全子系統：實現廚房安全監測、燃氣資料超標監測、廚房報警，當狀態超出控制範圍，由閘道器傳送警情簡訊給業主，或撥打電話給物業。(2)智慧控制子系統：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過紅外轉發器實現對電視、冰箱、空調等家電裝置的控制。燈光控制則通過無線的方式實現對燈光、強電智慧開關控制器等裝置的控制。(3)宜居生活子系統：包含生活服務提示、居室感測器與家用電器的反饋控制系統。系統從網際網路中即時獲取當地天氣資訊，具有推送資訊、提醒等功能。居室感測器與家用電器的反饋控制系統實現溫溼度節點與空調扇及加溼器等居室溫溼度自動調節、光線節點與窗簾/照明燈的光線自動調節、紅外轉換器代替多個遙控器的紅外控制等。(4)系統設定：支援離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動家庭安全,關閉宜居生活;居家模式啟動家庭安全,啟動宜居生活的基本級別監控;自由模式可根據使用者生活習慣自由設定。在系統設定中可以預設電話，比如業主或物業電話等。因此，結合以上智慧家居系統功能，智慧閘道器綜合系統作為智慧家居系統中的重要構成，主要負責資料的採集、處理及傳輸。
2.2 綜合系統架構設計
在整體系統功能分析的基礎上，進行了綜合網關係統的架構設計，系統架構包含ZigBee 可燃氣體感測器節點、ZigBee 窗簾控制器節點、ZigBee 溫溼度節點、ZigBee 光線感測器節點、紅外轉發節點、ZigBee 控制插座等。
智慧家居閘道器綜合系統採用先進的無線通訊技術，通過ZigBee短距離無線通訊方式實現家庭基礎設施與閘道器的互聯互通，省掉了繁瑣的佈線。感測器/執行器採用2.4G 頻段，與智慧閘道器之間以ZigBee 技術實現無線連線方式，通過Wifi 或Ethernet 將閘道器接入區域網，或通過GPRS/3G 模組將閘道器接入移動網際網路。
3 硬體系統實現
基於以上對智慧家居系統功能、智慧家居綜合網關係統的設計架構分析，系統硬體的實施主要包含智慧閘道器、可燃氣體感測器、無線窗簾控制器、溫溼度感測器、無線插座繼電器等元件。
3.1 智慧閘道器
智慧閘道器是該系統中的核心構件，通過智慧閘道器，實現ZigBee網路與wifi 網路的無縫對接，完成資料的轉換和傳輸。感測器感知並採集資料後，傳送至此閘道器，閘道器再將資料轉換後傳輸至wifi 網路。系統採用高效能的四核Cortex-A9 核心板，該核心板採用三星Exynos4412 作為主處理器，執行主頻可高達1.5GHz，Exynos4412 內部集成了Mali-400 MP 高效能圖形引擎，支援3D 圖形流暢執行，並可播放1080P 大尺寸高清視訊。
ZigBee 閘道器的接收晶片選用CC2530，該款晶片遵循IEEE802.15.4 和ZigBee 應用，經濟且低功耗，且支援無線更新和大型應用程式，可程式設計輸出功率達到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時器執行時，僅有不到1uA 的電流損耗，具有強大的地址識別和資料包處理引擎。
圖2 閘道器晶片
3.2 可燃氣體感測器實現
該系統選用MQ-5 氣體感測器。MQ-5 適用於家庭或工業上的液化氣、煤氣天、燃氣監測裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對液化氣、天燃氣、煤氣較好的靈敏度和快速響應及恢復特性。
RGA：讀可燃氣體感測器
地址段：用於儲存感測器模組地址
命令：RGA
地址：加入感測器模組地址
資料：GAzzz(3 位元組ASCII 碼資料)
可燃氣體感測器測試ASCII 資料為“123”表示可燃氣體的ADC
取樣值為0x7B。
3.3 無線窗簾控制器實現
通過ZigBee 模組無線控制電機的正轉與反轉，實現窗簾的'開啟與閉合。該模組分兩路對窗簾進行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時實現雙層窗簾家居應用的要求。
TDP：窗簾控制器
地址：用於儲存感測器模組地址
資料：yy == D1/D2 +0/1/2
D1/D2：表示窗簾1 或2
0/1/2：0 表示窗簾開1 表示窗簾關，2表示暫停
地址：感測器模組地址
資料：OK
3.4 溫溼度感測器選型
選用SHT1x，包括SHT10, SHT11 和SHT15 型號。SHT1x 屬於Sensirion 溫溼度感測器家族中的貼片封裝系列。感測器將感測元件和訊號處理電路整合在一塊微型電路板。
RSH：讀高精溫溼度感測器
地址段：用於儲存感測器模組地址
命令：RSH
WD 代表溫度感測器，SD 代表溼度感測器
地址：加入感測器模組地址
資料：WD/SD+zz(2 位元組16 進位制資料)
2 位元組16 進位制資料需要計算後，可得到溫度或溼度值
3.5 無線插座繼電器選型
無線插頭是最重要的控制元件之一，用於遙控、遙測、通訊、自動控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。
TRE：測試繼電器
地址：加入感測器模組地址
資料：yy == E1/E2/E3/E4+0/1
E1/E2/E3/E4：表示繼電器1 或2
0/1：1 表示閉合0 表示斷開
地址：感測器模組地址
資料：OK
4 軟體系統實現
通過以上功能分析及系統設計，實現了以嵌入式為基礎，採用Android4.0，通過閘道器採集家居設施各相關節點資料，以實現宜居生活、智慧控制、家庭安全監測等功能的智慧家居閘道器綜合系統。系統實施過程中，按節點的功能劃分到各模組，軟體在顯示資料的同時，寫入到後臺資料庫，系統為安防報警感測器設定一定的閥值，在超過值時提示報警資訊，並可以通過3G 傳送到移動終端。
5 結束語
綜上所述，在智慧家居控制系統中，智慧家居閘道器是整個系統的中心結點，它在系統應用過程中承載著上傳下達的功能，通過對系統功能需求進行具體分析，構建了基於嵌入式的系統整體架構，並在架構基礎上，進行了硬體系統的整體設計。系統採用了低功耗的ZigBee 技術及當前流行的安卓應用技術開發，具有良好的應用推廣價值。
