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本文來(lái)自：成都億佰特 ZigBee是一種新興的技術(shù)，其主要的特性就是近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，在眾多的領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用前景。 智能家居是一個(gè)多功能的綜合技術(shù)系統，它以家庭住宅為平臺，利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)將家庭中的各種電器設備和網(wǎng)絡(luò )連接在一起，然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化的綜合管理與調控，給人們制造一個(gè)舒適、安全、方便、環(huán)保和高效的生活環(huán)境。 本文所介紹的智能家居控制器就是利用ZigBee技術(shù)將家庭中獨立的家用電器構成一個(gè)統一的智能家居系統，從而方便對家居中各種電器設備進(jìn)行統一的管理，同時(shí)也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)對電器設備進(jìn)行遠程控制。 1. ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介 ZigBee技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來(lái)，很有市場(chǎng)潛力的一種無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。它是為了滿(mǎn)足低功耗、低數據量和低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要求而誕生的。它基于IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)（WirelessPersonal AreaNetwork，WPAN）工作組的80211514標準，被稱(chēng)為ZigBee技術(shù)標準。 完整的ZigBee協(xié)議由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成，如圖1所示。 IEEE80211514標準定義了物理層（PHY）和數據鏈路層（MAC）；網(wǎng)絡(luò )層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責制定，其中應用層包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制訂的應用對象。 ZigBee以一個(gè)個(gè)獨立的工作節點(diǎn)為依托，利用無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3種網(wǎng)絡(luò )結構，因此每個(gè)節點(diǎn)的功能并非完全相同。為了降低系統的成本，IEEE80211514定義了2種物理設備類(lèi)型：全功能設備FFD （Full FunctionDevice）和精簡(jiǎn)功能設備RFD（Reduced FunctionDevice）。FFD節點(diǎn)具備控制器的功能，提供數據交換，能夠作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)來(lái)使用，可以與網(wǎng)絡(luò )中任何類(lèi)型的設備進(jìn)行通信；RFD只能作為終端節點(diǎn)來(lái)使用，而且只能與FFD通信，兩個(gè)RFD節點(diǎn)之間不能通信。 Zigbee這一無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡(luò )容量大、自組織、自愈能力強等特點(diǎn)，可廣泛應用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景。 2 .基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制器的設計 智能家居系統的網(wǎng)絡(luò )通信具有如下特點(diǎn)： �、賯鬏敂祿啃�，無(wú)需太大的傳輸速度；②網(wǎng)絡(luò )的容量大，以滿(mǎn)足家庭中的各種家電設備；③信息的實(shí)時(shí)性好，時(shí)延短。 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿(mǎn)足智能家居網(wǎng)絡(luò )的上述需求，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是智能家居系統理想的通信方式。 2.1 能家居系統的基本構成 智能家居系統可通過(guò)GSM/GPRS/CDMA/網(wǎng)絡(luò )、ZigBee個(gè)域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區信息網(wǎng)實(shí)現信息的互聯(lián)互通。用戶(hù)在戶(hù)外可通過(guò)手機調控家中的電器和照明裝置，也可及時(shí)得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報警信息；在家中可通過(guò)遙控器調控家電設備�？刂破鬟�兼有可視對講系統室內主機功能，能查閱社區發(fā)布的各類(lèi)信息，必要時(shí)可向社區保安發(fā)出報警求救信號。系統主要由一個(gè)智能家居控制器和若干個(gè)室內監控ZigBee功能模塊組成。系統模型如圖2所示。智能家居控制器經(jīng)2個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )、互聯(lián)網(wǎng)以及2條有線(xiàn)通信線(xiàn)路與外部設施實(shí)現信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數字家庭網(wǎng)關(guān)。 智能家居控制器內部裝有手機模塊，通過(guò)GSM（GPRS、CDMA）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，與用戶(hù)手機實(shí)現雙向短消息收發(fā)。用戶(hù)可通過(guò)手機短消息實(shí)現對家用電器的電源開(kāi)關(guān)控制以及調光、調速控制；控制器以手機短消息的形式向用戶(hù)手機發(fā)送報警信號，供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報警用。 控制器內部裝有1個(gè)ZigBee模塊，通過(guò)Zig2Bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與家居中的監控裝置進(jìn)行通信，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器（FFD）來(lái)使用。它負責組建智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò )，接收系統控制中心發(fā)送的指令，并做出相應地處理。同時(shí)還要將從路由節點(diǎn)（FFD）或終端節點(diǎn)（RFD）接收到的數據發(fā)送給系統控制中心。 室內監控設備按用途可分為3類(lèi)：第一類(lèi)為開(kāi)關(guān)與插座，最簡(jiǎn)單的插座通過(guò)小電子開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現對家用電器（如電飯煲、飲水機、電視、冰箱、空調、洗衣機、電動(dòng)窗簾以及不需要調光的燈具）的電源開(kāi)關(guān)控制；較復雜的智能開(kāi)關(guān)和插座具有輸出功率可調的功能，用于吊燈、落地臺燈的調光或電風(fēng)扇的調速等。第二類(lèi)為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門(mén)磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏，還有手動(dòng)報警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)�。┑膱缶�。這些節點(diǎn)都帶有ZigBee模塊，作為網(wǎng)絡(luò )的終端節點(diǎn)（RFD）。第三類(lèi)為手持遙控器，除實(shí)現對家用電器開(kāi)關(guān)控制、調光調速控制外，還具備照明場(chǎng)景設定與控制功能。 若小區配置有物管通信網(wǎng)絡(luò )和門(mén)禁對講系統，控制器兼備可視門(mén)禁對講系統的室內主機的功能。 控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪(fǎng)客的圖像畫(huà)面，與訪(fǎng)客進(jìn)行對講或開(kāi)鎖操作。此外，控制器可接收小區物管發(fā)送的各類(lèi)文字信息；當室內發(fā)生意外時(shí)，可向小區物管發(fā)送報警信號�？刂破鱾溆谢ヂ�(lián)網(wǎng)接口，供用戶(hù)在異地時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運行，也可監視家中發(fā)生的事件。下一代互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)世將為此項功能的應用提供極大的支持，到那時(shí)，每個(gè)家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址，從而成為網(wǎng)絡(luò )中的一員。 ZigBee的簇狀網(wǎng)絡(luò )綜合了星型和網(wǎng)狀結構的特點(diǎn)，我們在實(shí)際應用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節點(diǎn)組成簇狀網(wǎng)絡(luò )。它具有良好的可擴展性，對于大戶(hù)型或別墅用戶(hù)而言，可以通過(guò)增加路由節點(diǎn)來(lái)擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍；對于小戶(hù)型的用戶(hù)而言，可以通過(guò)減少路由節點(diǎn)變成星型網(wǎng)絡(luò )，以節省能量、加快數據傳輸速度。 2.2 能家居控制器的硬件設計 2.2.1 能家居控制器簡(jiǎn)介 智能家居系統的核心部件是智能家居控制器。其組成框圖如圖3所示，它以嵌入式處理器為中心，由手機模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。智能家居控制器是整個(gè)智能家居系統的控制中心，其硬件核心是中央處理器，所有的設備控制、任務(wù)調度、通信協(xié)議轉換、數據收發(fā)和數據管理等任務(wù)都需要中央處理器。從功能、可擴展性、操作系統支持及功耗等方面考慮，我們選擇功能強大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器，存儲器選用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。 在人機接口方面，采用5英寸的TFT液晶屏，并配置相應的觸摸屏�？捎糜陲@示訪(fǎng)客圖像和小區物管發(fā)送的各種信息，并使用戶(hù)可方便地輸入數據去控制各種家居設備。另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C總線(xiàn)接口設計鍵盤(pán)接口，從而可擴展各種控制、報警方式�？刂破饔�2個(gè)通信模塊：手機模塊和ZigBee模塊。手機模塊由主機模塊、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片（GPRS模塊）。與ARM進(jìn)行數據傳輸采用標準的RS-232接口，通過(guò)使用AT命令完成對該模塊的操作，實(shí)現短消息的收發(fā)。Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息，通過(guò)RS-232接口與ARM進(jìn)行數據傳遞。 控制器配有以太網(wǎng)接口，配合控制器上建立的Web服務(wù)器，用戶(hù)可通過(guò)Internet完成對家庭環(huán)境及各種家電設備的監控。圖3中的RS-485接口用于與小區物管的通信（與原有的小區網(wǎng)絡(luò )配合。若為新建小區，可直接使用以太網(wǎng)接口）.利用MAX3232將ARM9的兩個(gè)USART收發(fā)器，組成兩個(gè)RS-232端口和一個(gè)RS-485端口。 音頻接口利用微處理器內部的IIS總線(xiàn)接口與外部音頻數字信號編碼器芯片（UDA1341TS）組成。 視頻接口采用中芯微的DSP芯片，將視頻信號轉換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進(jìn)制圖像流，經(jīng)處理后送LCD屏顯示。 2.2.2 能家居控制器中的Zigbee模塊 ZigBee模塊采用全功能設備（FFD）類(lèi)型，它在智能家居系統中承擔著(zhù)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的角色，可提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統中其它精簡(jiǎn)功能設備（RFD）。 CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU （8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ，還包含模數轉換器、4個(gè)定時(shí)器、AES - 128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。 CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27mA ；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。 CC2430帶有2個(gè)強大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口，通過(guò)此通信接口中的一個(gè)，S3C2410X處理器可以對CC2430進(jìn)行寫(xiě)入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數據。CC2430芯片集成了CRC和數據完整性檢查等功能，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時(shí)，芯片還采用了CS2MA - CA技術(shù)來(lái)避免數據發(fā)送時(shí)的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來(lái)計算，價(jià)格便宜，符合傳感器網(wǎng)絡(luò )需要大量分布節點(diǎn)的特點(diǎn)。 控制器通過(guò)RS-232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息。 2.3 能家居控制器的功能 智能家居控制器操作系統選用開(kāi)源的嵌入式Linux操作系統，通過(guò)裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux，ARM系統、手機模塊和ZigBee模塊組成一個(gè)整體，構成了一個(gè)功能齊全的嵌入式系統，利用ZigBee技術(shù)輕松實(shí)現家庭內部多節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)連接。智能家居控制器的功能為 �。�1）采用ARM架構的32位嵌入式RISC處理器和開(kāi)源的嵌入式linux操作系統； �。�2）是智能家居控制系統的控制中心，也是家居系統中信息家電平臺的網(wǎng)關(guān)； �。�3）遇盜搶或疾病，按緊急按鈕，自動(dòng)向管理中心報警； �。�4）以家庭為單位配置，利用液晶屏顯示小區通知、系統各部分工作狀況及數據； �。�5）利用ZigBee傳感器節點(diǎn)監測各種故障報警數據（火災、煤氣泄漏等），并自動(dòng)通過(guò)手機模塊發(fā)給用戶(hù)或小區管理中心； �。�6）通過(guò)以太網(wǎng)（或RS - 485）與小區管理中心通信； �。�7）通過(guò)控制器上的無(wú)線(xiàn)ZigBee模塊與家居系統中各子節點(diǎn)進(jìn)行通訊，對多種家電設備進(jìn)行相應的控制； �。�8）用戶(hù)可通過(guò)Internet遠程監控家庭中的多種家居設備。 智能家居控制器通過(guò)ZigBee模塊采集各種家用電器設備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數據存入到數據庫當中；對故障報警優(yōu)先處理，通過(guò)手機模塊自動(dòng)發(fā)送短信息到用戶(hù)手機或者小區物管，并將現場(chǎng)數據實(shí)時(shí)存入數據庫，以便對各種信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析和統計。在這里數據庫成為了連接前后臺的中間件，存儲狀態(tài)數據供遠程監控和本地LCD顯示，同時(shí)接收瀏覽器和本地鍵盤(pán)輸入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態(tài)的上傳；同時(shí)數據庫還需實(shí)現故障的分析統計和查詢(xún)。在本系統設計中，我們采用嵌入式數據庫SQLite以滿(mǎn)足系統遠程控制數據傳遞、數據共享的要求。 控制器的軟件主要分為4個(gè)模塊：與數據采集接口的通信程序、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序。為了使用用戶(hù)可以在Internet上通過(guò)瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò )，需要在控制器（數字家庭網(wǎng)關(guān)）上架設Web服務(wù)器與用戶(hù)進(jìn)行通信，并通過(guò)CGI接口調用后臺CGI程序。CGI程序在Web服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系，調用具體的控制程序、實(shí)現對智能家居網(wǎng)絡(luò )內部節點(diǎn)的制定操作。它監控網(wǎng)絡(luò )，隨時(shí)隨地的都能知道網(wǎng)絡(luò )內設備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò )內的各種設備。網(wǎng)絡(luò )監控在家庭網(wǎng)絡(luò )中也是非常重要的，使用戶(hù)可以隨時(shí)了解網(wǎng)絡(luò )的狀況，如設備的加入退出、設備的故障等等。 3.ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率的無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺。智能家居在控制器硬件由先進(jìn)的ARM9嵌入式系統、手機模塊和ZigBee模塊組成；操作系統采用嵌入式Linux，家庭網(wǎng)絡(luò )采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，安全性好，系統功能完善，能夠適應今后智能家居發(fā)展的需要。 |
