zigbee讓智能家居系統(tǒng)更加人性化

智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?a href='http://srfitnesspt.com/v/tag/13320/' target='_blank' class='arckwlink_none'>網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。

智能家居是在家庭產(chǎn)品自動化、智能化的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)按擬人化的要求而實現(xiàn)的。智能家居可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，把與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。與普通家居相比，由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又悄艿墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通。

智能家居強(qiáng)調(diào)人的主觀能動性，要求重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)，能夠隨心所欲地控制室內(nèi)居住環(huán)境。因此，具有相當(dāng)于住宅神經(jīng)的家庭網(wǎng)絡(luò)、能夠通過這種網(wǎng)絡(luò)提供各種服務(wù)、能與 Interact相 連接是構(gòu)成智能化家居的3個基本條件。

ZigBee是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，具有近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本、安全等優(yōu)點，特別適合設(shè)計應(yīng)用在小型的建筑物自動化設(shè)備中，比如溫度自動調(diào)節(jié)裝置、燈光控制設(shè)備、環(huán)境傳感器等，因此適用于家庭控制。

基于 ZigBee技術(shù) 的智能家居解決方案采用以單戶家庭為單元的通信控制模式，在每一個家庭中都安裝一個家庭網(wǎng)關(guān)（負(fù)責(zé)用戶控制信號及家電反

收稿日期：2007—05—14；修回日期：2007—08—24

基金項目：成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校 2007年重點項 目

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第47卷 第5期國譏技Vo1．47 No．5

2007年 10月Telecommunication EngineeringOat．2007

饋信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā) ），及若干個與家電設(shè)備相連 的地址由 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點 （NetworkCoordi—

的分控終端（控制該家庭的所有電器），家庭網(wǎng)關(guān)和 nator）負(fù)責(zé)分配。另外，每個節(jié)點的傳輸范圍在 30 分控裝置由家庭總線相連，家庭總線采用 ZigBee無 ～ 100ITI之間，而且傳輸?shù)木嚯x還可以通過使用功線通信方式。此裝置便于家庭獨自管理，安全性、可 率放大器和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到延伸。

靠性高。

2 ZigBee技術(shù)分析

ZigBee是 ZigBee聯(lián)盟的產(chǎn)物，這個由國際上 100

多家知名軟硬件公司組成的聯(lián)盟致力于制定一個短距離、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)市場為樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控和家庭自動化領(lǐng)域。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2OO4年 12月獲得聯(lián)盟表決通過。

ZigBee技術(shù)在智能家居領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景：首先，ZigBee技術(shù)是一項低成本、低功耗的無線解決方案，采用 ZigBee技術(shù)的無線傳感器使用

圖 1 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)

2．2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

2．2．1設(shè)備分類及功能

普通的干電池即可工作 1～2年 ，而 ZigBee芯片 的 在 ZigBee的網(wǎng)絡(luò) 中，支持兩種類型的物理設(shè)

價格將在 1～2年 內(nèi)降低到 2美元左右；其次，Zig．備：全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。

Bee技術(shù)支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得 ZigBee網(wǎng)絡(luò)具 （1）全功能設(shè)備（FulFunctionDevice，F(xiàn)FD）

有自組織、自修復(fù)的能力，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性；第 支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或網(wǎng)

三，ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)量眾多的節(jié)點，這點對于 智 能絡(luò)路由；能和任何設(shè)備通信。

一～（2）精簡功能設(shè)備（ReducedFunctionDevice，RFD）

家居系統(tǒng)中需要大量的傳感器和控制器的場合是非

常重要的。 只用在星型拓?fù)渲?；不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；只能

2．1 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu) 川胍和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信；實現(xiàn)非常簡單。

戤

ZigBee技術(shù)建立在 IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)：2技術(shù)之上。IEEE802．15．4是一個支持低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要是設(shè)計用來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制的應(yīng)用。2003年 5月，IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)得到了正式批準(zhǔn)。IEEE802：15．4是一個簡單的但功能卻十分強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包協(xié)議，它通過確認(rèn)、錯誤檢測、區(qū)分優(yōu)先次序的通信、直接序列擴(kuò)頻技術(shù) （Direct

SequenceSpreadSpectrum，DSSS）和用戶選擇安全等級

此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點類型來分，支持 3種節(jié)點：主節(jié)點、路由節(jié)點以及終端節(jié)點。主節(jié)點就是協(xié)調(diào)器，必須由一個 FFD構(gòu)成 ，它是網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立一個網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址。路由節(jié)點也是一個FFD，搜索網(wǎng)絡(luò)并加入，給加入路由的終端節(jié)點分配地址。路由節(jié)點僅僅是網(wǎng)絡(luò)中的一個無線收發(fā)器，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑。終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中最簡單的節(jié)點，它可以是一個 FFD或者 RFD。

等技術(shù)來提供無線通信的高可靠性。IEEE802．15．4標(biāo)2．2．2地址分配模式

準(zhǔn)同樣只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型中的物理層所有 ZigBee設(shè)備均將有一個 64 bit的 IEEE地

和介質(zhì)訪問子層，其中物理層定義了 3個許可的頻率址，這是一個全球唯一的設(shè)備地址，需要得到 ZigBee

頻段，它們分別是2．4GHz（最高傳輸速率250kbit／s）、聯(lián)盟的許可和分配。在子網(wǎng)內(nèi)部，可以分配一個 16

915MHz（最高傳輸速率 40kbit／s）和 868MHz（最bit的地址作為網(wǎng)內(nèi)通信地址，以減小數(shù)據(jù)包的大

高傳輸速率 20kbit／s）。小。地址模式有 2種 ：

ZigBee技術(shù)在 IEEE802．15．4所定義的基礎(chǔ)上（1）星型拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)號加設(shè)備標(biāo)識，本文中采用

又增加了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用輪廓層 （Application這種分配模式；

Profiles），整個協(xié)議架構(gòu)如圖 1所示。ZigBee支持星（2）點對點拓?fù)洌褐苯邮褂迷矗康牡刂?。這種

型、網(wǎng)狀和樹簇狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每一個 Zig．地址分配模式?jīng)Q定了每個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可 以

Bee網(wǎng)絡(luò)中最多可以擁有 65535個節(jié)點，每個節(jié)點支持多于 65535個設(shè) 備，而多個協(xié)調(diào)器可以互連，

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從而可以構(gòu)成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，邏輯上網(wǎng)絡(luò)規(guī)模取 Internet和 ZigBee網(wǎng)絡(luò) 。決于頻段的選擇、節(jié)點設(shè)備通信的頻率以及該應(yīng)用 3．2 家庭網(wǎng)關(guān)

對數(shù)據(jù)丟失和重傳的容納程度。 家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的靈魂和核心控制所在，它是

2．2．3智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇

建立一個無線網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)是選擇一個合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)可以決定網(wǎng)絡(luò)的成本、速度、特點和實現(xiàn)的功能。象家庭這樣的小型局域網(wǎng)通常采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，如圖 2，成本低廉 ，結(jié)構(gòu)簡單，連接容易，容易擴(kuò)充和管理。這種星型結(jié)構(gòu)的特點是對中心節(jié)點的依賴性很大，中心節(jié)點出現(xiàn)問題可能造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短，一般在 100m 以內(nèi)，家用電器位置容易改變，家庭電器等的數(shù)量也容易變化，網(wǎng)絡(luò)中的信息傳送主要在家庭網(wǎng)關(guān)和其他室內(nèi)終端之間。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點以及以上介紹的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文以家庭網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點組建了一個星型家庭網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)最大傳輸距離 150m，完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)需要。實踐證明，星形家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單，實用可靠。

豆 豳 照明

圖 2 智能家居星形網(wǎng)絡(luò)

3 基于 ZigBee的智能家居系統(tǒng)

3．1 系統(tǒng)總體方案

智能家居系統(tǒng)的總體框圖如圖 3所示。

ZigBeel~

圓

圖3 智能家居系統(tǒng)的總體框圖

從圖中可以看出，智能家居整體系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制界面（Web頁面）、家庭網(wǎng)關(guān)以及家庭內(nèi)部的家電網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)幾部分組成。網(wǎng)絡(luò)總體上分為家庭外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)兩部分，分別對應(yīng)

帶嵌人式系統(tǒng)平臺的專用主機(jī)，并且外接一個 Zig-Bee短程無線收發(fā)模塊，以實現(xiàn)對家庭區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的各種信息家電和傳感器的控制。家庭網(wǎng)關(guān)對外可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口，操作者可以通過任何臺連接到 Internet的 PC機(jī)訪問 Web頁，對家 中的

終端節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或者控制。

家庭網(wǎng)關(guān)具備連人 Internet的功能。通 過一個用戶友好的 Web界面，用戶可以輕松 了解家里的情況，防止財產(chǎn)受到人侵者的破壞，并且只需要點擊鼠標(biāo)就可以從全球任何地方控制日常家電設(shè)備的運(yùn)

行。

家庭網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)及功能為：

（1）采用 ARM構(gòu)架的 32位嵌入式 RISC處理器和 ~Clinux操作系統(tǒng) ；

（2）通過門鎖進(jìn)行自動設(shè)防／解防；

（3）遇搶劫或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警；

（4）每家每戶配有自己的網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)，并可通過Internet對家中的終端節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或者控制；

（5）水、電、氣各表數(shù)據(jù)發(fā)給物業(yè)管理中心；

（6）通過以太網(wǎng)與小區(qū)管理中心通信；

（7）通過網(wǎng)關(guān)上的無線 ZigBee模塊與網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點進(jìn)行通信，實現(xiàn)統(tǒng)一控制。

利用 ZigBee技術(shù) 能夠輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部節(jié)點的無線連接。因此，設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)則主要實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接、協(xié)議轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。由于我們定義的家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部只采用 ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線連接，所以我們不需要考慮家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換，而主要考慮實現(xiàn) Internet接人及TCP／IP與 ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。家庭網(wǎng)關(guān)實際上就是一個功能齊全的嵌人式系統(tǒng)，硬件設(shè)計上采用功能強(qiáng)大的 ARM芯片加上其他功能模塊 ，如圖4所示，而主要的工作在軟件開發(fā)上，移植 ~Clinux操作系統(tǒng)，并在其上開發(fā)驅(qū)動程序、應(yīng)用程序。為了使用戶可以在 Internet上通 過瀏覽器控制家庭網(wǎng)絡(luò)，需要在網(wǎng)關(guān)上架設(shè) Web服務(wù)器與用戶進(jìn)行通信 ，并通過 CGI接 口調(diào)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(diào)用具體的控制程序，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)分控終端的指定操作。