基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统及方法，包括：远程监控终端、数据处理中心（3）、ZigBee协调器（4）、N个ZigBee节点（5），利用远程监控终端发送对家电的状态查询或控制命令；利用数据处理中心，接收状态查询或控制命令后进行处理和返回家电参数；利用ZigBee协调器组建无线传感网后接收所述数据处理中心的状态查询或控制命令和接收家电参数后转发；利用N个ZigBee节点将采集的各家电的参数返回至所述ZigBee协调器，并根据接收到ZigBee协调器和近距离监控方式下的控制命令对各家电进行控制。本发明采用ZigBee技术组建无线传感网络，实现了智能家电的多模式远程监控，具有远程监控操作简单、新家电设备添加灵活方便的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感网的智能家电监控系统及方法，尤其涉及一种多模式远程监控的系统及方法，属于智能家居家电控制系统领域。

背景技术

物联网技术的快速发展为人们日常使用的家电融入了越来越多的智能化的元素，家电智能化的发展在社会智能家居环境的建设和发展中也扮演着十分重要的角色。另一方面，移动终端，例如手机、笔记本电脑等，由于携带方便、操作简单和功能日益强大，已经成为人们日常生活中随身携带必不可少的组成部分。随着人们生活方式的改变，随时随地与智能家居环境中的智能家电进行交互访问的需求也越来越多，传统的只能近距离操作的家电控制系统已经无法满足市场消费的需求。

中国专利陆续公开了一些有效的智能家电远程控制的方案，如2013年5月公开的一个名称为“通过移动终端对智能家电进行控制的方法、系统和装置（公开号为：CN 103079021 A）”的发明专利以及一个名称为“一种智能家电控制系统（公开号为：CN 20294898 U）”的实用新型专利，这些专利申请的缺点是要么对家电的控制方式相对单一、要么针对特定的家电类型进行改造。另外，这些专利存在没有考虑兼容传统的家电控制方式、没有考虑多种控制命令的冲突问题、没有考虑远程监控方式的安全问题、没有考虑家电状态的历史数据查询问题等缺陷。而随着终端设备的多元化，与智能家电进行交互的模式也需要多样化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述传统智能家电控制的上述缺陷，提供一种基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统及方法，可实现家居环境近距离控制、Internet网络远程监控以及便携式手机远程监控功能。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统，包括：

远程监控终端，用于发送对家电的状态查询或控制命令；

数据处理中心，用于与所述远程监控终端建立连接，接收状态查询或控制命令后进行处理和返回家电参数；

ZigBee协调器，用于组建无线传感网，接收所述数据处理中心的状态查询或控制命令和接收家电参数后转发；

N个ZigBee节点，每个ZigBee节点用于将采集的各家电的参数返回至ZigBee协调器以及根据接收到ZigBee协调器的控制命令对对应家电进行控制，其中N为1以上的自然数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述远程监控终端包括手机终端或PC终端；所述数据处理中心包括微处理器、GSM模块、网络接口模块以及存储单元，其中所述GSM模块、网络接口模块、存储单元分别与微处理器连接；所述手机终端通过GSM模块与微处理器连接；所述PC终端通过网络接口模块与微处理器连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee节点包括有：传感器，用于采集家电所处的环境参数和运行参数后返回；继电器，用于与家电的开关控制驱动电路连接，实现对家电的开关控制；控制模块，用于控制所述传感器和继电器，并接收传感器返回的环境参数和运行参数；无线收发模块，用于发送所述控制模块接收的环境参数和运行参数，并向控制模块传输ZigBee协调器的控制命令。

作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee节点（5）还包括有按键模块，与控制模块连接，用于近距离监控方式下发送对家电的控制命令；红外收发模块，与控制模块连接，用于近距离监控方式下接收外部红外设备对家电的控制命令，并将所述控制命令传输至控制模块；所述控制模块对所述控制命令进行解编码后执行对家电的控制操作。

一种基于上述的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统的方法，包括以下步骤：

步骤（1）利用远程监控终端发送对家电的状态查询或控制命令；

步骤（2）利用数据处理中心，接收所述远程监控终端发送的状态查询或控制命令后进行处理，然后将所述状态查询或控制命令发送至ZigBee协调器；

步骤（3）利用ZigBee协调器组建无线传感网后接收所述数据处理中心的状态查询或控制命令，并向各ZigBee节点发出状态查询或控制指令；

步骤（4）所述各ZigBee节点接收所述ZigBee协调器的指令；当ZigBee协调器发出控制命令时，所述各ZigBee节点对家电进行控制；当ZigBee协调器发出状态查询命令时，所述各ZigBee节点采集家电参数后返回至ZigBee协调器；

步骤（5）所述ZigBee协调器接收到所述各ZigBee节点返回的家电参数后转发至数据处理中心；

步骤（6）所述数据处理中心将接收所述ZigBee协调器的家电参数进行处理后发送至远程监控终端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（2）中远程监控终端包括手机终端（1）或PC终端（2），数据处理中心包括GSM模块或网络接口模块；所述手机终端（1）通过GSM模块与数据处理中心建立通信,PC终端（2）通过网络接口模块与数据处理中心建立通信。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）中每个ZigBee节点还包括按键模块和红外收发模块，通过近距离监控方式下接收控制指令以实现对家电的控制；且所述数据处理中心为每种控制方式设置优先级顺序。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（2）中还包括数据处理中心对远程监控终端的身份进行验证的步骤。

作为本发明的一种优选技术方案：当所述远程监控终端为手机终端时，在所述数据处理中心存储有一个或一个以上的号码，当所述手机终端采用手机短信的方式向GSM模块发出控制命令时，所述数据处理中心将发送短信的手机号码与存储的号码进行比对，以决定是否通过验证。

作为本发明的一种优选技术方案：当所述远程监控终端为PC终端时，所述数据处理中心采用密钥验证的方式对PC终端身份进行验证。

本发明提供的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统及方法，通过ZigBee技术组建家庭内部无线传感器网络，无线传感网采用星形网络拓扑结构，ZigBee协调器是无线传感网的中心节点。各ZigBee节点采用点播方式向ZigBee协调器发送传感器采集的环境参数和家电运行参数，点播地址为0x0000；ZigBee协调器采用组播方式向各个ZigBee节点发送控制命令。所述无线传感网下的各ZigBee节点每隔一设定时间把传感器采集到的环境参数发送给ZigBee协调器，同时将最新的环境参数作为标记。ZigBee节点接收到ZigBee协调器的控制命令后，先与标记的环境参数作比较，然后发送控制命令给驱动电路，通过一定的控制方法（如PID）达到控制命令的目标环境参数值，并向ZigBee协调器发送成功标记。若通过按键、红外任意一种近距离控制方式对智能家电运行参数修改，节点则立即向ZigBee协调器发送紧急修改通知。所述ZigBee协调器接收各ZigBee节点传送的环境参数和家电运行参数，并定时上传给数据处理中心。所述数据处理中心接收ZigBee协调器传送来的家电运行参数，通过网络接口模块ENC28J60和Internet与PC终端建立连接，并将环境参数和家电运行参数在远程PC终端上呈现。远程PC终端通过按钮可以发送控制命令，数据处理中心接到控制命令后先存储再处理。其中Internet网络包括基于Internet的广域网、局域网或无线局域网等。数据处理中心还可通过TC35i和移动互联网与远程手机终端建立连接，使得环境参数和家电运行参数可以在远程手机终端得以呈现，且远程手机终端可以通过发送短信的方式发送控制命令。数据处理中心接到控制命令后先存储再处理。其中，移动互联网包括无线局域网、2G、3G、GPRS或GSM网等。数据处理中心为硬件模块，如可以为现有技术中的具有一定数据处理功能的上位机或服务器、嵌入式计算机等硬件。另外，数据处理中心为每种控制方式设置了优先级顺序，结合每种控制方式的模式控制开关，解决了控制命令的冲突问题。远程控制方式加入了安全性的身份验证，提高了安全性。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明兼容了传统的近距离操作方式，并融合了Internet网络和便携式手机对家电进行远程监控的多种模式。根据家居环境家电远程控制节点数量较多、传输距离较近、传输速率要求不高、需要长时间稳定运行的特点，采用新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本的ZigBee技术组建家庭内部无线传感器网络，具有远程监控操作简单、新家电设备添加灵活方便的特点。且解决了多种控制命令的冲突问题，远程监控方式的安全问题，以及家电状态的历史数据查询问题。

该监控系统及方法成本较低，并采用低功耗设计。本发明的广泛使用对于家居环境各类家电的规范管理、便捷式操作，以进一步提高家居环境的智能化程度等具有明显优势。

附图说明

图1为本发明的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统功能结构图。

其中附图标记解释：1-手机终端，2-PC终端，3-数据处理中心，4- ZigBee协调器，5-ZigBee节点。

图2为本发明的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统的模块示意图。

图3是本发明的数据处理中心及ZigBee协调器的电路工作原理图。

图4是本发明的各ZigBee节点的电路工作原理图。

图5是本发明的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控方法的流程图。

具体实施方式

   下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

 如图1所示，本发明提供了一种基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统，包括：远程监控终端，用于发送对家电的状态查询或控制命令；数据处理中心3，用于与所述远程监控终端建立连接，接收状态查询或控制命令后进行处理和返回家电参数；ZigBee协调器4，用于组建无线传感网，接收所述数据处理中心3的状态查询或控制命令和接收家电参数后转发；N个ZigBee节点5，每个ZigBee节点5用于将采集的各家电的参数返回至ZigBee协调器4和根据接收到ZigBee协调器4的控制命令对对应家电进行控制，其中N为1以上的自然数。

所述数据处理中心3为硬件模块，如可以为现有技术中的具有一定数据处理功能的上位机或服务器或嵌入式计算机等硬件，如图2所示，为具体一种方式，包括STM32F10x微处理器、负责与手机终端进行通信的GSM模块、负责与远程监控PC终端进行通信的网络接口模块以及为记录各节点状态与监控命令的存储模块，GSM模块、网络接口模块、存储单元分别与微处理器连接。所述远程监控终端包括手机终端1或PC终端2，手机终端1通过GSM模块与微处理器连接， PC终端2通过网络接口模块与微处理器连接。无线传感网中各个ZigBee节点实时监测家电的运行状态及相关参数，数据经ZigBee协调器4发送至数据处理中心3，并将实时数据和历史数据记录保存在存储模块，由手机终端1和PC机远程终端2分别通过GSM模块和网络接口模块连接到数据处理中心3进行访问。

利用手机终端1和PC终端2作为两种远程监控终端，远程发布对家电的状态查询或控制命令，并实时接收远程家电的状态信息进行处理并显示，其中PC终端2远程控制方式下的Internet网络包括基于Internet的广域网、局域网或无线局域网，手机终端1远程控制方式下的移动互联网包括无线局域网、2G、3G、GPRS或GSM网等。所述ZigBee协调器4和若干ZigBee节点5用于家庭内部无线组网，传送控制命令和家电的相关参数。所述数据处理中心3接收远程监控终端的远程控制命令以及近距离控制方式的控制命令，经过分析处理后将操作命令传送给ZigBee协调器4，并经无线传感网最终由各个ZigBee节点5具体执行。

对于ZigBee节点5包括有：传感器，用于采集家电所处的环境参数和运行参数后返回；继电器，用于与家电的开关控制驱动电路连接，实现对家电的开关控制；控制模块，用于控制所述传感器和继电器，并接收传感器返回的环境参数和运行参数；无线收发模块，用于发送所述控制模块接收的环境参数和运行参数至ZigBee协调器4，并向控制模块传输ZigBee协调器4的控制命令。在实现近距离的监控方式时，ZigBee节点5利用按键模块和红外收发模块进行控制。按键模块与控制模块连接，用于近距离监控方式下发送对家电的控制命令，如电源开关控制命令按键，控制模块采集到按键模块发出的控制命令并控制执行。红外收发模块与控制模块连接，用于近距离监控方式下接收外部红外设备对家电的控制命令，并将所述控制命令传输至控制模块，控制模块对红外收发模块所接收的操作命令进行红外解码后，执行命令并将近距离控制方式下的操作命令经无线收发模块发送至ZigBee协调器4。

在本发明的实施例中，所述监控系统数据处理中心3的电路原理如图3所示，其微处理器STM32通过串口经MAX232连接到西门子GSM模块TC35i的RXD0、TXD0，数据处理中心通过AT指令对TC35i进行操作，通过I/O₄数字端口连接到TC35i的IGT引脚，当TC35i通电后，通过I/O₄数字端口给IGT一个大于100ms低电平，将GSM模块启动，并通过移动互联网与远程手机终端建立连接；通过SPI接口连接到网络接口处理模块ENC28J60，并通过HR911105A给出以太网接口；通过I/O₁～I/O₃数字端口连接到CC2530协调器，CC2530的RF_P、RF_N引脚经过LC电路连接到外置天线；通过I²C总线外扩了1片AT24C512 E2PROM存储芯片，以记录家电的实时运行状态及相关参数，以及远程监控命令。

在本发明的实施例中，所述ZigBee节点5的电路原理如图4所示，控制模块为硬件模块采用CC2530芯片，通过数字端口I/O₁连接家电开关控制驱动电路，实现对家电的开关控制；通过数字端口I/O₂连接红外解编码控制电路，实现对家电的模式选择及参数调节控制；通过数字端口I/O₃连接按键控制电路，实现对家电的直接按键控制；通过数字端口I/O₄连接DHT11型温湿度传感器，或再通过信号调理电路连接其它类型的传感器，以实时采集家居环境的小气候信息；通过RF_P、RF_N引脚经过LC电路连接到外置天线，实现信号的无线接收和发射。

本发明的具体监控方法如图5所示，具体为：

1、系统上电后，数据处理中心、ZigBee协调器模块、ZigBee节点模块进行初始化；利用远程监控终端发送对家电的状态查询或控制命令。远程监控终端包括手机终端或PC终端。

2、利用数据处理中心，接收所述远程监控终端发送的状态查询或控制命令后进行处理，然后将所述状态查询或控制命令发送至ZigBee协调器。

3、利用ZigBee协调器组建无线传感网，后接收所述数据处理中心的状态查询或控制命令，并向各ZigBee节点发出状态查询或控制指令。无线传感网络进行组网，所述ZigBee协调器的主要功能是发送网络信标、建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、收发信息，所各述ZigBee节点在上电复位后，即开始搜索网络协调器，并发出连接请求，建立连接成功后，各节点将得到一个16位的网络短地址。所述无线传感网采用星形网络拓扑结构，ZigBee协调器是无线传感网的中心节点。

4、各ZigBee节点接收所述ZigBee协调器的指令；当ZigBee协调器发出控制命令时，所述各ZigBee节点对家电进行控制；当ZigBee协调器发出状态查询命令时，所述各ZigBee节点采集家电参数后返回至ZigBee协调器。各ZigBee节点采用点播方式向ZigBee协调器发送传感器采集的环境参数和家电运行参数，点播地址为0x0000；ZigBee协调器采用组播方式向各个子节点发送控制命令。每个ZigBee节点还包括按键模块和红外收发模块，通过近距离监控方式实现对家电的控制。

5、根据设定的时间周期，所述无线传感网中各个ZigBee节点将检测到的家电运行状态及相关参数信息经ZigBee协调器发送至数据处理中心，并将检测的实时数据和历史数据记录保存在存储模块供远程监控终端访问。若存储空间已满，则最早的数据被新数据代替。监控系统采用全双工数据传输，上行数据为传感器节点采集的环境参数和家电运行参数、紧急修改通知，下行数据即为远程控制命令。无线传感网各ZigBee节点每隔一设定时间把传感器采集到的环境参数发送给ZigBee协调器，同时将最新的环境参数作为标记。ZigBee节点接收到协调器的控制命令后，先与标记的环境参数作比较，然后发送控制命令给驱动电路，通过一定的控制方法（如PID）达到控制命令的目标环境参数值，并向ZigBee协调器发送成功标记。若通过按键、红外任意一种近距离控制方式对智能家电运行参数修改，ZigBee节点则立即向ZigBee协调器发送紧急修改通知。ZigBee协调器接收节点传送的环境参数和家电运行参数，并定时上传给数据处理中心。若接收到紧急修改通知，则立即上传。

6、数据处理中心接收ZigBee协调器传送来的家电运行参数，通过网络接口模块ENC28J60和Internet网络与远程PC终端建立连接，并将环境参数和家电运行参数在远程PC终端上呈现。远程PC终端通过按钮可以发送控制命令，数据处理中心接到控制命令后先存储再处理。其中，PC终端的监控界面采用网页的形式设计开发，包括账户登陆模块，环境参数和家电运行参数接收及显示模块，控制命令发送与参数接收模块。

数据处理中心还可以通过TC35i和移动互联网与远程手机终端建立连接，使得环境参数和家电运行参数可以在远程手机终端得以呈现，且远程手机终端可以通过发送短信的方式发送控制命令。数据处理中心接到控制命令后先存储再处理。

数据处理中心实现了两种远程控制方式和两种近距离控制方式，分别为近距离按键、近距离红外、远程手机、远程Internet控制。为每种控制方式设有控制开关，开关关闭的情况下，对应的控制方式无效。近距离按键、红外节点处设有控制开关指示红灯，若近距离开关关闭，则其红灯亮，控制方式无效；若远程手机控制开关关闭，则手机控制方式无效，且不会收到紧急修改通知，可以发送短信来打开/关闭数据处理中心中的控制开关。若远程Internet开关关闭，则远程上位机界面红灯亮，控制开关无效。

7、为了解决多模式控制方式下控制命令的冲突问题，ZigBee节点可接收家居环境内近距离按键或红外设备如遥控器的操作命令，并通过无线传感网发送至数据处理中心，所述数据处理中心通过查询方式为每种控制方式设置了优先级顺序。近距离控制方式优先于远程控制方式，远程手机控制优先于远程Internet控制方式，优先级的顺序可以通过查询的顺序进行修改。控制开关均开的情况下，近距离控制方式优先于远程控制方式，远程手机控制优先于远程Internet控制方式。优先级顺序仅适用于多个控制命令同时发生的情况下。紧急修改通知到来时，与其冲突的控制命令无效。

8、为了保证所述远程监控系统的安全性，所述远程控制方式加入了身份验证过程。当所述远程监控终端为手机终端时，在所述数据处理中心存储有一个或一个以上的号码，当所述手机终端采用手机短信的方式向GSM模块发出控制命令时，所述数据处理中心将发送短信的手机号码与存储的号码进行比对，以决定是否通过验证，具体为当手机终端采用手机短信的方式向GSM模块发出控制命令，数据处理中心采用“指定主号码”及“授权子号码”的方式对手机终端身份进行验证，在数据处理中心存储了手机短信控制的“指定主号码”及“授权子号码”列表，列表核对无误再实现控制命令的执行。当所述远程监控终端为PC终端时，所述数据处理中心采用密钥验证的方式对PC终端身份进行验证，具体为当PC终端采用Internet网络控制方式下，数据处理中心采用登录系统输入密码进行校验的方式对PC终端身份进行验证，只有信息验证成功后远程的监控命令才被有效执行。若验证不被通过，则不执行远程监控终端的任何操作命令。在多种控制方式下，若家电的相关参数被改动，可以通过向远程手机终端发送短信进行通知，若远程手机终端上的控制开关打开，则将该改动作为通知信息发送至数据处理中心中存储的手机号码中，若远程手机终端上的控制开关未打开，则不执行提示短信的发送过程。

    因此，本发明提供的基于无线传感网的智能家电多模式远程监控系统及方法，可实现家居环境近距离控制、Internet网络远程监控以及便携式手机远程监控功能，采用的短距离、低功耗、低数据速率、低成本的ZigBee技术组建家庭内部无线传感器网络，具有远程监控操作简单、新家电设备添加灵活方便的特点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。