Zigbee智能家居数据中心：微信小程序实时掌控家居传感器信息

摘要： 本文将介绍如何构建一个基于Zigbee和微信小程序的智能家居网关，实现对家居传感器数据的采集、汇总和展示。用户可通过微信小程序实时查看家中温湿度、光照等环境数据，为智能家居系统提供数据支撑。

关键词： Zigbee，网关，微信小程序，传感器，智能家居，物联网

一、系统架构

本系统采用星型网络拓扑，由Zigbee网关、Zigbee传感器节点和微信小程序客户端三部分构成：

Zigbee传感器节点： 负责采集环境数据 (例如温湿度、光照等)，并将数据发送至Zigbee网关。
Zigbee网关： 作为网络中心节点，负责接收、解析和汇总来自各个传感器节点的数据，并通过MQTT协议将数据上传至云端服务器。
微信小程序客户端： 用户通过微信小程序连接云端服务器，实时查看传感器数据，实现对家居环境的远程监控。

二、硬件平台

Zigbee 模块: CC2530、CC2652 等
微控制器: STM32、ESP32 等
传感器: DHT11 温湿度传感器、BH1750 光照传感器等

三、软件设计

3.1 Zigbee传感器节点

初始化 Zigbee 协议栈: 配置节点为终端设备 (End Device) 角色。
采集传感器数据: 周期性读取传感器数据。
发送数据至网关: 使用 Zigbee 点对点通信将数据发送至网关节点。

代码示例 (以Z-Stack为例):

// 定义数据结构
typedef struct {
  uint16 temp;
  uint16 humidity;
  uint16 light;
} SensorData;

// 发送传感器数据
void sendSensorData(SensorData* data) {
  AF_DataRequest(
    &gatewayAddr, // 网关短地址
    &sensorEp, // 传感器端点
    ZIGBEE_CLUSTER, // 集群ID
    sizeof(SensorData),
    (uint8 *)data,
    &transID, // 事务ID
    AF_DISCV_ROUTE,
    AF_DEFAULT_RADIUS
  );
}

// 主函数
void main() {
  // 初始化 Zigbee 协议栈
  // ...

  // 初始化传感器
  // ...

  while(1) {
    // 采集传感器数据
    SensorData data;
    data.temp = readTemperature();
    data.humidity = readHumidity();
    data.light = readLight();

    // 发送数据至网关
    sendSensorData(&data);

    // 休眠一段时间
    // ...
  }
}

3.2 Zigbee 网关

初始化 Zigbee 协议栈: 配置节点为协调器 (Coordinator) 角色，允许其他 Zigbee 设备加入网络。
接收传感器数据: 持续监听来自已加入网络的传感器节点的数据。
解析数据包: 根据预定义的数据格式，从接收到的数据包中提取传感器类型和数值信息。
连接 MQTT 服务器: 使用 MQTT 客户端库，建立与云端 MQTT 服务器的连接。
发布 MQTT 消息: 将解析后的传感器数据，按照 MQTT 协议规范，发布到对应的主题，以便微信小程序订阅和接收。

代码示例 (以 Python 为例):

import zigbee
import paho.mqtt.client as mqtt
import json

# 初始化 Zigbee 模块 (假设使用 XBee 模块，使用 Python-XBee 库进行操作)
try:
    import serial
    from digi.xbee.devices import XBeeDevice
    PORT = "COM3"  # 替换为实际端口号
    BAUD_RATE = 9600
    xbee = XBeeDevice(PORT, BAUD_RATE)
    xbee.open()
    print("成功连接到 XBee 模块")
except Exception as e:
    print(f"无法连接到 XBee 模块: {e}")
    exit()

# 连接 MQTT 服务器
MQTT_BROKER = "mqtt.example.com"  # 替换为实际 MQTT 服务器地址
MQTT_PORT = 1883
MQTT_CLIENT_ID = "zigbee_gateway"
MQTT_TOPIC_PREFIX = "home/sensors"

client = mqtt.Client(client_id=MQTT_CLIENT_ID)
try:
    client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT)
    print("成功连接到 MQTT 服务器")
except Exception as e:
    print(f"无法连接到 MQTT 服务器: {e}")
    exit()

# 定义回调函数，处理接收到的 Zigbee 数据
def data_receive_callback(xbee_message):
    # 获取发送设备的 64 位地址
    sender_address = str(xbee_message.remote_device.get_64bit_addr())
    # 获取数据
    data = xbee_message.data.decode()
    try:
        # 解析数据，假设数据格式为 JSON
        sensor_data = json.loads(data)
        # 遍历传感器数据并发布到 MQTT
        for sensor_type, value in sensor_data.items():
            mqtt_topic = f"{MQTT_TOPIC_PREFIX}/{sender_address}/{sensor_type}"
            client.publish(mqtt_topic, payload=value, qos=0, retain=False)
            print(f"已发布数据到 MQTT 主题: {mqtt_topic}, 值: {value}")
    except json.JSONDecodeError:
        print(f"收到无效的 JSON 数据: {data}")

# 添加数据接收回调函数
xbee.add_data_received_callback(data_receive_callback)

# 持续监听 Zigbee 数据
print("开始监听 Zigbee 数据...")
while True:
    try:
        pass  # 保持程序运行
    except KeyboardInterrupt:
        break

# 关闭连接
xbee.close()
client.disconnect()
print("程序已退出")

3.3 微信小程序客户端

连接 MQTT 服务器: 使用微信小程序提供的网络 API，建立与云端 MQTT 服务器的连接。
订阅主题: 订阅网关发布数据的 MQTT 主题，实时接收传感器数据更新。
数据展示: 将接收到的传感器数据，以直观友好的方式展示在小程序界面上。

代码示例 (以微信小程序框架为例):

const MQTT_BROKER = "wss://mqtt.example.com:8083/mqtt"; // 替换为实际 MQTT 服务器地址
const MQTT_TOPIC_PREFIX = "home/sensors";

Page({
  data: {
    sensorData: {}  // 用于存储传感器数据的对象
  },

  // 连接 MQTT 服务器
  connectMqtt: function () {
    wx.connectSocket({
      url: MQTT_BROKER,
      success: () => {
        console.log("成功连接到 MQTT 服务器");
        this.onSocketOpen();
      },
      fail: (err) => {
        console.error("连接 MQTT 服务器失败:", err);
      }
    });
  },

  // 监听 WebSocket 连接打开事件
  onSocketOpen: function() {
    wx.onSocketOpen(() => {
      console.log("WebSocket 连接已打开");
      this.subscribeTopics();
    });
  },

  // 订阅主题
  subscribeTopics: function () {
    const topic = `${MQTT_TOPIC_PREFIX}/#`;  // 订阅所有传感器数据
    wx.sendSocketMessage({
      data: JSON.stringify({ action: "subscribe", topic: topic }),
      success: () => {
        console.log(`已订阅主题: ${topic}`);
      },
      fail: (err) => {
        console.error(`订阅主题失败: ${topic}`, err);
      }
    });
  },

  // 监听接收消息事件
  onSocketMessage: function () {
    wx.onSocketMessage((res) => {
      const data = JSON.parse(res.data);
      if (data.topic && data.payload) {
        this.updateSensorData(data.topic, data.payload);
      }
    });
  },

  // 更新传感器数据
  updateSensorData: function (topic, payload) {
    const sensorPath = topic.split('/').slice(2); // 获取传感器地址和类型
    const sensorAddress = sensorPath[0];
    const sensorType = sensorPath[1];
    this.setData({
      [`sensorData.${sensorAddress}.${sensorType}`]: payload
    });
  },

  // 页面加载时触发
  onLoad: function () {
    this.connectMqtt();
    this.onSocketMessage();
  }
});

四、代码详解

4.1 Zigbee 网关代码详解

初始化 Zigbee 模块: 使用 Python-XBee 库连接到 XBee 模块，并打开串口进行通信。
连接 MQTT 服务器: 使用 Paho MQTT 客户端库连接到 MQTT 服务器。
data_receive_callback 函数:
- 接收来自 Zigbee 模块的数据。
- 从数据包中提取发送设备地址和传感器数据。
- 解析 JSON 格式的传感器数据。
- 将传感器数据发布到相应的 MQTT 主题。
添加数据接收回调函数: 将 data_receive_callback 函数注册为 Zigbee 模块的数据接收回调函数，以便在接收到数据时自动调用。
持续监听 Zigbee 数据: 使用无限循环保持程序运行，以便持续接收 Zigbee 数据。

4.2 微信小程序代码详解

connectMqtt 函数: 使用 wx.connectSocket API 连接到 MQTT 服务器。
onSocketOpen 函数: 监听 WebSocket 连接打开事件，并在连接成功后调用 subscribeTopics 函数订阅主题。
subscribeTopics 函数: 使用 wx.sendSocketMessage API 发送订阅主题的请求。
onSocketMessage 函数: 监听接收消息事件，解析接收到的 MQTT 消息，并调用 updateSensorData 函数更新页面数据。
updateSensorData 函数: 将接收到的传感器数据更新到 sensorData 对象中，并使用 this.setData 方法更新页面显示。