作者/ 戚仕鹏1 谢屈波1 何山2 1.华中科技大学 计算机科学与技术学院(湖北 武汉 430074) 2. 华中科技大学 经济学院(湖北 武汉 430074)
摘要：本规划依据德州仪器的CC2530芯片，选用低功耗的ZigBee协议与无线局域网混合的方法，完成感知家居的环境参数收集和长途家电操控功用。体系规划简略、性价比高、功耗低、安稳牢靠，具有较强的实用性和宽广的商场前景。
导言
伴随着移动互联网的开展，各类民用级电子产品开端能够衔接云端，带有APP的智能硬件如漫山遍野般出现到消费电子商场，其间不乏适用于家用环境的智能家居类设备。智能家居作为一项提出多年的概念，因为缺少一致的行业标准，各大品牌的设备彼此不能兼容，所以一向没有得到腾飞式的开展。谷歌收买NEST温控设备，苹果公司发布HomeKit，微软发布WinXiot版别，预示着国外IT巨子看好智能家居商场并活跃布局。
作为隐藏在智能家居背面的通讯协议，除了一般居民耳熟能详的Wi-Fi(家用局域网)外，低功耗的短距离传输协议(如ZigBee、蓝牙和Zware等)也已开展老练安稳，物联网使得设备间也能彼此通讯。不同品牌设备之间的敞开与互联互通，将原有的信息孤岛彼此联系起来将成为未来的大趋势。2016年3月8日，海尔向开发者敞开了U+渠道，美的集团也向第三方敞开了M-Smart的SDK(软件开发工具包);3月31日，微软也发布了MS Bot Framework机器人结构，巨子们的纷繁榜样预示着更多的厂商将会敞开本身的软硬件渠道，使得家电设备，以及越来越多的智能硬件单品能够整合到一同。
旧版别的智能家居体系大多选用总线操控，装饰布线的本钱十分高，而且严峻下降用户体会。新一代智能家居产品以小米和华为的最新产品为例，均选用Wi-Fi与ZigBee协议。本文介绍了一种兼容性强、性价比高的环境信息收集和家电操控体系。
1 体系概述
要完成一套性价比较高的智能家居体系，所需的功用由用户的中心需求来决议。依据马斯洛需求层级，生理和安全方面的需求应当放在首要完成的方位，完成的功用有必要包括安全防盗、火灾、有害气体检测和风险状况及时报警;其次是日子的便当化，包括对家庭环境的随时随地检查，家电的长途操控等;最终是需求的个性化，例如SOHU作业、孕婴或行动不便、视力妨碍或听觉妨碍等状况，是用户涣散的长尾需求目标。用户用例如图1所示，经过PC电脑浏览器或移动APP均可完成，本文要点完成移动端。
依据用户的需求，考虑实践的居家场景和运用习气，本文介绍一种可行的解决计划。首要，环境参数收集需求运用传感器，包括温湿度、被迫人体红外、光照强度、烟雾及瓦斯勘探;若添加本钱，能够参加摄像头和PM2.5检测传感器;其次，为了下降装饰布线本钱，选用无线方法，即无需布线。通讯协议优先考虑WLAN+ZigBee混合的方法是因为WLAN的遍及程度高，ZigBee协议的功耗低(能够运用电池作业)，且掩盖半径(有墙搅扰约20m)比蓝牙高。最终，为了完成长途查询操控，云端服务器和移动端APP将是最便当的途径。整套体系的笼统架构结构如图2所示。
归纳考虑体系完成的性价比来进行硬件芯片的选型。关于网络摄像头和智能家电，其详细的衔接参数和操控接口都在各自设备的官网指定，例如海尔的U+和美的的M-smart。为了下降装饰本钱，选用低功耗的无线通讯协议，并将设备直接黏贴在墙上，用电池作业是最方便、最经济的计划，也是现在绝大多数厂商的挑选。再归纳考虑兼容性问题，例如小米和华为的智能家居设备现已选用了ZigBee协议，经过Z-stack协议栈即可彼此通讯，所以咱们挑选德州仪器供给的CC2530解决计划，安稳性强且价格较低。其间，每个房间都能够设备一个设备来收集信息(由用户决议)，从设备节点作为路由节点(Router)完成快速组网和通讯。主节点的CC2530芯片作业状况为和谐器(Coordinator)，担任整个ZigBee网络的和谐和安排，然后经过ESP8266芯片将ZigBee的信号转换成TCP/IP协议的WLAN数据。这样，只需家中有无线路由器，即可联通一切设备，然后兼容更多其他设备。关于主控设备，能够在云端服务器，能够是PC机，也能够是更低功耗的嵌入式设备，例如小米和360的路由器;假如寻求功用简略安稳，乃至能够是单片机设备。
如图3所示，整套体系分为传感器收集与传输、初始化装备、家电操控、安防报警和云端移动端服务五大中心模块，包括并详细完成图1中的用例需求。
2 软硬件完成
关于传感器的选型，如表1所示为高性价比完成智能家居中心所需的部分配件，能够挑选的传感器有超越二十种，均可经过网购取得。
硬件设备选型：德州仪器CC2530开发板是由若干(从节点)克己传感器集成的设备，如图4所示。CC2530+ESP8266开发板(主节点)、pcDuino开发板(主控设备)、无线路由器一枚(可选)和移动设备(iOS和Android)。
图4中经过单刀双掷开关，整合miniUSB电源和7号干电池供电，当设备掉电时，能够立刻接通电池，保证安稳运转;经过GPIO接口将传感器数据收集到榜首转接单元(如图5);将数据预处理后，经过第二转接单元(如图6)发送到CC2530芯片(如图7)，经过ZigBee协议将数据发送到主节点。
