基于ZigBee、WiFi无线传感网络的智能家居环境监测系统的研究与实现

蒋昌茂，刘洪林，梁润华

（1.桂林师范高等专科学校 广西 桂林 541001；2.桂林航天工业学院，广西 桂林 541004；3.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

基于ZigBee、WiFi无线传感网络的智能家居环境监测系统的研究与实现

蒋昌茂1，刘洪林2，梁润华3

（1.桂林师范高等专科学校 广西 桂林 541001；2.桂林航天工业学院，广西 桂林 541004；3.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

随着物联网技术的兴起，家居智能化蓬勃发展，许多手机、路由器、电视等电子电器厂商纷纷推出智能家居产品，但家居环境监测方面的产品不多。利用ZigBee、WiFi无线传输技术和传感器技术，通过微控制器组建了一个监测系统，以实现家居环境检测的远程及自动化控制。方案采用MSP430主控芯片，超低功耗、低成本，支持大量监测节点和多种网络拓扑，适应性强，大大降低了系统的复杂度，实现了快速响应，增强了系统运行的可靠性和安全性等。

智能家居环境监测；ZigBee；WiFi；MSP430；传感器

随着无线网络技术的快速发展，物联网在人们生活中的应用越来越广泛，特别是在智能家居方面，而且许多手机、路由器、电视等智能电器厂商也纷纷推出了相关产品。但是，智能家居作为一个庞大的系统，所涉及到的内容非常广泛。鉴于目前家居环境监测方面的产品很少，本设计利用ZigBee、WiFi两种无线传输技术和传感器技术，通过微控制器实现了一个远程自动控制的家居环境监测系统。

1 设计思想及网络架构

1.1 设计思想

本方案的智能家居环境检测系统主要包括以下3个部分，即PC上位机监测部分、数据传输部分、数据采集部分。上位机监测界面用Visual Basic设计，为用户提供直观的数据；数据传输用基于IEEE802.15.4的ZigBee无线传输和基于IEEE 802.11的WiFi无线传输互相配合实现；数据采集部分采用TI公司的MSP430超低功耗MCU作为主控芯片，选用DHT11温、湿度传感器、MQ2烟雾传感器、人体红外热释电传感器等采集环境数据。本方案通过ZigBee、WiFi两种无线传输技术互相配合进行数据传输。ZigBee具有低功耗、低速率、支持多节点和多种网络拓扑的优点，还具有低复杂度、低成本、安全、稳定、可靠等通信特色，在数据流量比较小的传感器和自动化控制领域有很好的应用。WiFi传输速率快，覆盖范围比较广，与路由器对接比较方便，但功耗比较高，可扩展的节点数量有限。对于传输传感器采集的数据而言，其数据流量要求并不是很大，但传感器节点的数量会比较多，如果全部采用WiFi传输，会在数据传输速率方面造成很大的浪费，且在节点数量扩展上产生瓶颈。所以，本方案数据采集运用ZigBee无线网络；数据传输通过WiFi模块与路由器配合实现数据转发，建立无线通信；只要做一个数据转发端口实现ZigBee和WiFi网络的互相转发，便可以充分发挥各自优势，只要PC或者移动手机等远程终端能连接到该路由器上，便可以读取和操作采集数据，实现家居环境检测的远程及自动控制。

1.2 网络架构

本方案网络架构如图1，包括无线传感器网络、本地网络和远程网络三部分。

对于无线传感器网络部分，无线传感器节点主要负责采集环境中的温度、湿度、烟雾等数据，经ZigBee网络传递给ZigBee-WiFi数据转发端口的ZigBee协调器暂存。

对于本地网络部分，主要通过ZigBee-WiFi数据转发端口，将ZigBee网络与WiFi网络互联，实现ZigBee协调器数据存储转发，本地的PC上位机和移动手机通过WiFi网络连接到本地无线路由，获取来自无线传感网的采集数据信息。对于远程网络部分，远程PC上位机和移动手机通过WiFi网络连接到远程端的无线路由，通过互联网连接到本地路由，获取无线传感器网络的数据。在移动手机端，也可以通过连接3G网络基站，然后通过基站连接到互联网访问本地路由获取无线传感器网络的数据。

2 硬件设计

本方案硬件设计的重点是本地的ZigBee无线传感网络和本地ZigBee-WiFi双工通信的路由。这两部分主要是由ZigBee无线传输技术组成的无线传感器网络，由WiFi模块与本地无线路由器建立连接，然后通过PC上位机监测软件访问无线传感器网络的数据。

2.1 无线传感器节点结构及主控芯片设计

如图2所示，无线传感器节点包括电源转换部分，它为传感器、主控芯片和ZigBee模块提供合适的电源。主控芯片为MSP430系列超低功耗微控制器，微控制器读取温、湿度传感器的数据，判断红外热释电传感器、烟雾传感器等传感器工作态并采集其数据。该过程通过ZigBee无线模块进行（无线传感器—MSP430 MCU）数据通信，而这里引出的I/O接口是为了方便连接更多的外设。

图1 监测系统无线传感网络总体架构

图2 监测系统无线传感器节点基本架构框图

2.2 ZigBee-WiFi数据转发端口结构及主控芯片设计

如图3所示，数据转发端口主要由MSP430微控制器、1个ZigBee无线模块和1个WiFi无线模块组成，其中，ZigBee无线模块为ZigBee网络的协调器，MSP430微控制器通过2个串口分别与ZigBee无线模块和WiFi无线模块连接，透传ZigBee网络和WiFi网络的数据。

图3 ZigBee-WiFi数据转发端口结构框图

3 软件设计

3.1 无线传感器数据采集节点程序设计

根据方案要求，无线传感器信息节点采集到环境数据后，主动向ZigBee协调器发送数据，具体程序流程如图4所示。

图4 无线传感器节点程序流程图

系统上电复位初始化，将看门狗关闭，将系统主时钟（MCLK）和次主时钟（SMCLK）选择为内部的DOC振荡器（FSC＝1 MHz），在完成ZigBee-WiFi数据转发等端口初始化后，配置好串口并进入停等周期。MQ-2烟雾传感器上电需要短暂预热，不能马上正常检测烟雾。因为预热周期检测端的阻抗相对比较小，会有触发报警器误报的情况，所以，程序执行需要一定的停等周期，以便于屏蔽预热期间的烟雾报警器。

当烟雾传感器进入正常工作态，定时器T0_A0开始进行500 ms计时中断，微控制器处于低功耗空闲模式。定时器每隔500 ms对微控制器进行中断唤醒，读取红外热释电传感器对人体感应和烟雾传感器对烟雾状态的采集数据，另设置2.5 s定时让MSP430周期性读取温、湿度传感器采集的数据，唤醒并等待ZigBee无线模块建立网络连接后，LED指示灯点亮，采集信息节点的数据通过串口发送给ZigBee模块，最后通过ZigBee网络传输到ZigBee协调器暂存。

3.2 ZigBee-WiFi数据转发端口程序设计

本方案没有用到更多的数据预处理功能，仅使用透传功能直接进行数据的转发。由于MSP430F149芯片配置了2个UART，完美的双串口处理能力非常强大，程序设计上变得非常简单。具体程序流程如图5所示。

上电复位，系统初始化后，看门狗关闭，配置P3并口P3.4、P3.5和P3.6、P3.7引脚第二功能即串口功能，另配置双串口的波特率为115 200 MHz。让微处理器进入休眠状态，并开启串口中断功能，不管来自哪个网络的数据，每收到一帧数据都会发生一次中断，将数据转发至另一个网络中。在设计中，2个串口模块使用的是相同的波特率，因此，在数据配置上是相等的。如果2个串口模块使用的波特率不一样，则需要分别计算，并根据计算得到的数值配置。

图5 ZigBee-WiFi数据转发端口程序流程图

图6 上位机VB监测界面

3.3 上位机监测界面的设计

上位机主要负责显示当前环境的各种状态和温湿度数据，本设计使用Visual Basic语言编写设计上位机监测界面。编程的关键是对VB中的Winsock控件的合理利用，这也让编程实现变得相对简单。

利用Winsock控件的理由是，它提供了访问TCP和TDP等网络服务的便捷途径。当利用它编写网络程序时，不必了解TCP等协议的细节或调用低级的WinsockAPI函数，只需通过设置控件的属性并调用其方法就可以轻松连接到1台远程上位机器上进行会话和数据传输。具体工作原理是：服务器不间断地侦听客户端的请求程序，客户端有需要则向服务器端发送请求连接，当两者协议一致，握手成功，服务器端与客户端的连接建立。客户端可以持续请求或发送或接收数据，服务器端则对这些进程给予响应。所以，本系统需要将WiFi模块设置成服务器模式，协议类型设置为TCP协议进行连接访问控制。那么，对上位机监测界面的设计，只要在VB中调用Winsock控件，配置好Winsock控件使用TCP协议，然后在文本窗口输入IP和相应连接端口号，上位机便可与WiFi模块建立连接，接收并处理来自ZigBee网络的环境数据。如图6所示，连接成功后，上位机监测界面显示的检测数据2.5 s更新一次。

3.4 实现远程监测的路由器设置

为了满足无人值守、远程监测的要求，本方案只需通过配置路由器DDNS参数和IP端口转发映射即可实现，具体做法是：①配置好路由器的DDNS，将路由器的动态域名配置成runhua.jios.org。②配置端口转发功能，将WiFi模块的IP 192.168.199.246和端口号50000映射到路由器的IP和1990号端口。配置好后，在远程端便可以使用TCP协议，通过域名runhua.jios.org和端口1990连接到路由内部的WiFi模块，从而接收ZigBee网络的数据。路由器的DDNS和端口转发功能的配置需要进入路由器后台的设置界面分别设置。DDNS参数配置如图7所示，端口转发功能如图8所示。

图7DDNS参数配置

图8 端口转发功能配置

4 测试及实现

本方案经过不间断测试，结合测试中出现的各种状况，一步一步地改进和调试，达到了预期的效果，图6为连续24 h的VB监测界面。利用无线传感器网络，可以采集记录每个传感节点的数据。接下来的研究将进一步挖掘MSP430主控芯片强大的功能，使执行器对环境检测结果做出响应，真正实现智能家居自动化控制。所以，本设计预留了很多插针，为往后进行更深入的研究和开发做准备。

［1］陈莉.基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计［D］.上海：上海交通大学，2008.

［2］刘光.基于ZigBee与以太网的智能家居系统设计［D］.大连：大连理工大学，2012．

［3］仲伟波，王婷婷，张泽武.基于ZigBee与WiFi的环境智能传感系统研制［J］.农机化研究，2012（12）：186-189.

［4］姜新华，张丽娜.基于ZigBee与WiFi相结合的温室环境监测系统设计［J］.内蒙古大学学报，2011，42（6）：699-702.

［5］Wail M，Yaser K，Reem J，et al.Interference Problem between ZigBee and WiFi［J］.2012 IACSIT Hong Kong Conferences，2012（30）：133-138.

［6］Zhang Lihong，Sun Lei，Zhao Jinchuan，et al.An environment parameters monitoring system of large-scale henhouse based on ZigBee technology［J］.2010 4th International Conference on Intelligent Information TechnologyApplication，65-68.

TP273.5；TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.045

2095－6835（2018）01－0045－04

蒋昌茂（1971—），男，广西桂林人，高级工程师，硕士，研究方向为IP通信及物联网应用。刘洪林（1967—），男，广西桂林人，教授级高级工程师，学士，研究方向为多媒体技术、网络通信和新型硬件电路设计应用。

〔编辑：白洁〕