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ZigBee 是一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它具有短距離、低功耗、低成本和低數據速率等特點(diǎn)。而智能家居的特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò )傳輸數據量小，對帶寬要求低，但是需要的網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性好，延遲要短，要求接入方便，系統續航能力久、可擴展性強并且后期維護簡(jiǎn)單。這無(wú)疑使ZigBee技術(shù)成為了首選，因為ZigBee 技術(shù)的主要應用領(lǐng)域就是工業(yè)控制、電子設備和樓宇自動(dòng)化等，它的特點(diǎn)決定了ZigBee 技術(shù)能很好地滿(mǎn)足智能家居系統的需求。 1 系統總體方案 智能家居系統網(wǎng)絡(luò )大致可分為外部網(wǎng)（因特網(wǎng)）、內部網(wǎng)（ZigBee 自組網(wǎng)）和家庭網(wǎng)關(guān)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是核心部分，本系統以移植在tiny6410 開(kāi)發(fā)板上的Boa 服務(wù)器作為家庭網(wǎng)關(guān)，它負責家庭內部網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )的連接和協(xié)議轉換。下面介紹內部網(wǎng)， 這里的內部網(wǎng)就是ZigBee 自組網(wǎng)，根據家庭布局采用樹(shù)狀或者星形網(wǎng)絡(luò )拓撲。ZigBee 自組網(wǎng)包括各個(gè)終端節點(diǎn)，這些節點(diǎn)配合繼電器控制家庭中各種電器開(kāi)關(guān)、溫濕度傳感器等家庭中需要被監控的設備對象，從而達到遠程監控功能。從通信的角度講，每個(gè)節點(diǎn)即為一個(gè)終端，它們相互間通過(guò)ZigBee 協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。這里暫不考慮內部網(wǎng)絡(luò )不同的協(xié)議轉換問(wèn)題。 智能家居系統的總體結構框圖如圖1 所示。 圖1 智能家居總體結構圖 2 智能家庭網(wǎng)關(guān)設計 本文設計的家庭網(wǎng)關(guān)要處理來(lái)自Internet 的數據，要求實(shí)現家庭網(wǎng)關(guān)的硬件必須提供強大的網(wǎng)絡(luò )支持，同時(shí)需要支持TCP/IP 協(xié)議，因此需要操作系統來(lái)支持多任務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)由硬件和軟件共同組成的功能實(shí)體，將Boa 服務(wù)器移植到ARM 開(kāi)發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)使用。Boa 是一個(gè)單任務(wù)的小型HTTP 服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能優(yōu)越，特別適合應用在嵌入式系統中，家庭網(wǎng)關(guān)結構圖如圖2 所示。 圖2 家庭網(wǎng)關(guān)結構圖 Boa 服務(wù)器的建立較為簡(jiǎn)單，主要步驟包括：在開(kāi)發(fā)主機上對其進(jìn)行解壓然后交叉編譯，接著(zhù)配置服務(wù)器，主要是修改boa.conf 文件，配置完成后就可以進(jìn)行移植了，移植成功后安裝完畢就可以運行Boa 服務(wù)器軟件了。在構建好的嵌入式平臺上運行Boa 服務(wù)器以及串口讀寫(xiě)應用程序，結合靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)和動(dòng)態(tài)CGI 程序可以讓命令從網(wǎng)頁(yè)下達到嵌入式服務(wù)器。通過(guò)CGI 技術(shù)可以實(shí)現Web 服務(wù)器和串口讀寫(xiě)應用程序的調用，從而達到數據（也就是命令） 從網(wǎng)頁(yè)到服務(wù)器再通過(guò)串口寫(xiě)入ZigBee家庭內部網(wǎng)絡(luò )的這樣一條正向的流程。當命令發(fā)送至ZigBee 家庭內部網(wǎng)絡(luò )后， 緊接著(zhù)讀寫(xiě)應用程序讀取ZigBee 的反饋數據（主要是LED 狀態(tài)以及傳感器讀數），讀取后存入ARM 板子里的SQlite 數據庫以供稍后的CGI 程序調用并顯示在網(wǎng)頁(yè)上。 3 ZigBee家庭內部網(wǎng)設計 從發(fā)展趨勢來(lái)看，無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)是智能家居網(wǎng)絡(luò )未來(lái)的發(fā)展方向。ZigBee 是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案，相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee 將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。介于智能家居的規模，即網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據量不大、節點(diǎn)較多等考量，實(shí)現家庭內部網(wǎng)絡(luò )拓撲選擇星形結構。 ZigBee 節點(diǎn)的硬件設計較為簡(jiǎn)單，本節點(diǎn)采用TI 公司的CC2430 芯片，在單個(gè)芯片上整合ZigBee 射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用一個(gè)MCU（加強型8051 ），具有128 KB 可編程閃存和8 KB 的RAM，還包含ADC、定時(shí)器、AES128 協(xié)同處理器。數據采集單元選用一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11 。 家庭內部網(wǎng)絡(luò )系統的軟件系統是以IAR System 公司的IAR Embedded Work bench 為開(kāi)發(fā)環(huán)境、以TI 公司的ZStack 協(xié)議棧為開(kāi)發(fā)基礎設計的。ZigBee 協(xié)議棧2006基于IEEE 802.15.4 標準制定，該協(xié)議的突出優(yōu)點(diǎn)是：組網(wǎng)能力強、適應面廣、可靠性高、節能性好。ZStack 協(xié)議棧由實(shí)現ZigBee 協(xié)議不同功能的程序文件和庫函數組成。 4 ZigBee協(xié)議 ZigBee 協(xié)議是家庭內部網(wǎng)的基礎也可以說(shuō)是核心，它的底層是IEEE 802.15.4 ，包括物理層和 MAC 層。ZigBee 工作在868 MHz 、915 MHz 和2.4 GHz 3 個(gè)頻段，而真正需要關(guān)心是網(wǎng)絡(luò )層和應用層。網(wǎng)絡(luò )層的主要功能就是路由，路由算法是它的核心，優(yōu)秀的算法能節省ZigBee 的能源消耗，縮短延遲。網(wǎng)絡(luò )層上面是應用層，它主要規定了一些與應用相關(guān)的功能，也就是開(kāi)發(fā)人員直接打交道的對象。 本系統采用的協(xié)議棧工作流程如圖3所示。 圖3 ZigBee家庭內部網(wǎng)結構圖 在智能家居ZigBee 內部自組網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器作用最為關(guān)鍵，它上接智能家居系統“大腦”也就是家庭網(wǎng)關(guān)，下接ZigBee 自組網(wǎng)其他路由和終端設備，同時(shí)起到一個(gè)無(wú)線(xiàn)接口的功能。如圖3 所示，協(xié)調器接收應用程序從串口發(fā)來(lái)的命令并對其解析，解析命令獲取要控制的終端地址和控制命令，然后向指定的終端節點(diǎn)發(fā)送解析后的新的控制命令，尋址方式是點(diǎn)對點(diǎn)方式，通過(guò)協(xié)調器分配的網(wǎng)絡(luò )地址來(lái)發(fā)送，ZigBee 自組網(wǎng)中的命令結構如圖4 所示。終端收到命令后作出相應動(dòng)作并反饋自己的狀態(tài)給協(xié)調器，協(xié)調器收到反饋數據后會(huì )自動(dòng)通過(guò)串口發(fā)回給家庭網(wǎng)關(guān)，也就是嵌入式服務(wù)器，并由應用程序來(lái)讀取。以上就是ZigBee 家庭內部網(wǎng)工作流程。 圖4 命令結構 本文實(shí)現了智能家居監控系統的遠程控制功能，整個(gè)系統架構簡(jiǎn)單，即建立嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和ZigBee 家庭內部網(wǎng)絡(luò )，其功能齊全，并且可根據實(shí)際情況和個(gè)人需求增減傳感器以節約成本，可為任何家庭提供量身訂制的智能家居監控服務(wù)。本系統可以根據家庭環(huán)境的改變隨時(shí)添加設備節點(diǎn)，安裝方便，實(shí)現了智能家居的人性化控制。此項技術(shù)將Web 技術(shù)與嵌入式技術(shù)結合并擴展，在此項目設計上稍加改動(dòng)即可添加更多功能的傳感器，此項技術(shù)也可以廣泛地運用在工業(yè)、 農業(yè)和商業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。 |
