基于ZIGBEE和LORA的一种物联网智能家居系统
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作者:郑琪 王嘉博 柴钰
摘要：以智能家居系统中的照明智能控制模块、家用电器智能控制模块、安防智能控制模块和娱乐智能控制模块为研究对象，采用ZIGBEE和LORA技术相结合的无线物联网通信、控制系统，实现对智能家居系统的实时监测和控制。
关键词：ZICBEE;LORA;智能家居系统;实时监测和控制
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）19-0038-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
目前，监控系统的数据传输方式主要有两种：一种为有线传输，主要为通过RS232、RS485/422等串口通信协议传输，其特点为稳定性强、可靠性高、距离短、成本高;另一种为无线传输，主要为蓝牙、WIFI、ZIGBEE等，现场的无线传输更加灵活，但距离较短、信号不稳定、功耗大。而基于长距离无线电LoRa（Long Range Radio）线性扩频技术实现的数据通信，传输距离远、穿透性强、抗十扰能力高、采用的窄带传输，传输功率密度大、传输距离大大增加。
1 系统的总体设计
本文所述的基于ZIGBEE和LORA智能家居系统包括：对于一户人家的各个房间里，照明智能控制模块、家用电器智能控制模块、安防智能控制模块和娱乐智能控制模块，每个房间设立若干个ZIGBEE终端节点，连接相关的传感器和控制器，以实现对相关信号的采集、处理和控制;一户人家设立一个ZIG-BEE协调器，一个ZIGBEE协调器与一个LORA终端节点集成在一起，一栋楼设置一个或多个LORA网关，多个LORA网关与服务器（或MCU）相连，多个小区设立一个服务器，服务器可通过因特网或蜂窝移动网与云端相连，客户端可通过网页或手机APP查看家居的情况并对家里的相关设备进行控制，重要的是可以及时得到家里某些意外的报警情况，及时进行处理，以免发生警情和一些灾难的发生。本系统的总体结构框图如图1所示。
照明智能控制模块包括：当人进入房间内（通过红外热释电传感器识别）启动温湿度、光照度监测。当室温低于16度打开空调热风、室温高于26度打开空调冷风，当湿度低于某值打开加湿器，当光照度低于或高于一定值，拉开或拉上电动窗帘，根据光照度白动调节室内灯光明暗。如果当人离开某房间（房间内没人时），该房间的空调、灯光、加湿器等关闭，当人进入另一个房间时，该房间内的空调、灯光、加湿器等根据情况自动开启，并将人进入的信息发送到中央控制器，控制每个节点设备，中控电脑可接收信息显示在触摸屏上。
在客厅或大门人口有带有触摸屏的中央控制器，可以通过触摸屏控制照明、家用电器、娱乐等模块，可以查看安防模块的历史纪录，也可以通过手机查看、遥控这些模块。
家用电器带有智能控制器，包括热水器、电饭煲、电饼铛、咖啡机等。
安防模块包括门禁及室内监控（可远程通过手机访问、查看）。门禁为通过人脸识别打开门锁，在各个房间内装有摄像头。一旦门锁或摄像头监控有异常进行报警（可向手机进行远程报警）。
人一旦出大门后，所有模块（除安防模块）停止工作，拉上窗帘。
娱乐模块包括多媒体、音响、电视等，都可以通过家电控制器、中央控制器或手机进行控制。
2 监测及控制电路
整个室内家居系统监测和控制主要使用TI公司带有ZIG-BEE协议栈的CC2530芯片，绿色低功耗。
CC2530是针对ZigBee的真正片上系统优秀解决方案，整合了领先的2.4GHz IEEE 802.15.4兼容型CC2530射频收发器及业界标准的32MHz、单周期、低功耗增强型8051微控制器核心的卓越性能，四种灵活的功率模式，用于降低功耗，一个IEEE802.15.4MAC计时器，一个通用16位计时器及两个8位计时器，具有对数字接收信号强度指示（RSSI）/链路质量指示（LQI）的支持，硬件AES加密引擎，具有32/64/128/256kBvte系统内置可编程闪存、8kB RAM以及众多的其他强大特性。卓越的选择性及带阻性能，直接序列扩频（DSSS）调制调解器的速度为2M chips/s，有效数据率为250kbps，封装：QLP-48，RoHS标准兼容，7*/mm;极小的占位面积，硬件提供对微处理器负载降低（offload）的支持，同时兼顾IEEE 802.15.4及ZigBee应用的灵活解决方案，卓越的Bluetooth及WiFi共存性，仅需要极少量的外部元件。
光线探测传感器CDS的光电池GL5537，可见光传感器为蓝敏光电二极管BS520，后者对光的波长而不是光的亮度敏感。CDS为照度传感器，随环境的光亮度而改变其电阻，亮的地方阻抗较低，是一种光电可变电阻器，随曝光时间和光线变化决定照度指数伽马（γ），阻抗范围为200K-IOKQ，灵敏度为400（紫色）-600nm（橙色），在520nm（绿色）下表现出最大值。γ=log（Rmax/Rmin ）/log（ Lmax/Lmin）。RE200B PIR传感器是（NIP-PON Ceramics公司出产）人体探测传感器，检测范围X轴大于138度，Y轴125度，工作电压3-10V DC，产生至少2.5V的模拟电压输出，典型值为4V。光线探测传感器CDS、可见光传感器BS520、热释电效应PIR传感器等监测值经处理后与CC2530的10口相连，运用通过CC2530的一个10脚连接DHTlI的数据输出端口监测温湿度。弹簧开关用于检测门或窗户这些容易进入的人口是否被入侵者打开或关闭。这个开关是密封在充满惰性气体的玻璃管内的磁簧接触片。当得到通过线圈的电流，更多的电流在磁簧片中，由磁吸引力引起簧片闭合。弹簧开关为H.K.的Industry的KR2S，该模块的操作无须电源供电，通常位于打开的位置，该SMD类型的开关操作不管电磁极性。数字门锁型号MI-2100。燃气阀门的控制是通过CC2530及相关组件和L289P操作直流电机打开或关闭阀门;通过CC2530对接线板的控制可以有效节约电力资源的浪费、调光板控制灯光的开关和强弱、电动窗帘、空调、加湿器、家用电器、多媒体、电视、音响、人脸识别、摄像头、瓦斯侦测器、PM2.5检测器、T6004传感器电路（监测CO2含量）、MQ-2气体烟雾传感器（其电导率与被测量的濃度成正比）等用来监测和控制家居环境及设施。 各个房间内的传感器和控制器的参数直接或通过处理接到ZIGBEE终端节点的CC2530芯片上，ZIGBEE终端节点通过ZIGBEE无线网络接到该户人家的ZIGBEE协调器，ZIGBEE协调器与LORA的终端节点相联通，每户带有触摸屏的中央控制单元与ZIGBEE协调器和LORA的终端节点相联通，LORA的终端节点通过LORA无线网络与LORA网关相联通，可根据整栋楼的住户数量设置一个或多个LORA网关，各个LORA网关与服务器（或MCU）相连，呈星形拓扑结构，多个小区设立一个服务器，服务器可通过因特网或蜂窝移动网与云端相连，客户端可通过网页或手机APP查看家里的情况并对相关设备进行控制，重要的是可以及时得到家里某些意外的预警及报警情况，立即进行处理，以免发生警情和一些灾难的发生。
LORA终端节点的射频芯片采用SEMTECH公司的SX1268，网关主要为主芯片SX1302结合射频芯片SX1250，均为该公司最新推出的具有最佳性价比的适用于中国ISM频段的产品。
在本系统中使用LORA技术的原因在于LORA技术是SEMTECH公司发布的基于IGHz以下的新型非授权频谱，其特点为低功耗、超远程、低成本、大的覆盖范围，针对物联网应用，接收灵敏度为-148dBm，与业界其他先进的Sub-GHz芯片相比，灵敏度提高了20dB以上，确保了网络连接的可靠性。不仅可以部署私有网络，还可以部署公有网络，采用自适应数据速率策略、线性扩频调制技术、链路预算高达157dB，通讯距离可达15Km，网络最大优化每个终端节点的通讯数据速率、输出功率、带宽和扩频因子。LORA信号对于建筑物具有很好的穿透能力，这些技术更适应于低成本、大规模的物联网部署。低功耗使得电池寿命延长、网络容量增加。实现长距离连接时，终端节点和网关之间信息的交互可直接进行，更好地减少了网络复杂性和能量损耗。
3 结语
本文所述的基于ZIGBEE和LORA的物联网智能家居系统，在室内使用了ZIGBEE技术，该技术支持扩展、功能全面、使用灵活，可组成自组织、低功耗无线传感网络;在户外使用LO-RA技术的LoRaWan低功耗广域物联网，将ZIGBEE技术和LO-RA技术有机地结合在一起，形成了业界相对新颖、优点突出的低功耗广域物联网实现的一种方式。尽可能给大家起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
[1]刘亚秋.LoRa物联网技术及应用[J].计算机产品与流通，2018，11（40）：40.
[2]康妍妍，宋广军.基于LoRa传输的农业大棚监测系统设计[J].自动化与仪表，2019，34（5）：23-26.
[3]钱蕾.基于WSN的智能家居环境监测系统设计[J].兰州工业学院学报，2019，26（1）：76-83.
【通联编辑：唐一东】
收稿日期：2020-02-21
作者简介：郑琪（1968-）.女，河南人，硕士，高工，研究方向：检测技术、电工電子、嵌入式系统。
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