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基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计
2014年微型机与应用第16期
闫 伟,郝卫东,陈志丹,李 君,邓子信
桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林541004
摘要: 了ZigBee无线通信技术和家庭网络的特点,介绍了一种利用ZigBee技术无线组网的智能家居系统,重点阐述了ZigBee的组网方式、节点之间自动控制的实现、数据的采集和传输。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 分析了ZigBee无线通信技术和家庭网络的特点,介绍了一种利用ZigBee技术无线组网智能家居系统,重点阐述了ZigBee的组网方式、节点之间自动控制的实现、数据的采集和传输。

  关键词: 智能家居;ZigBee;组网

  作为物联网的应用,智能家居是信息领域的关注热点。智能家居利用传感器技术、计算机技术和通信技术等实现对家庭中的通信设备、电器的信息交换和控制。同时可以通过传感器的应用来采集和传输居住环境的温度、湿度等。在特殊情况下可以实现控制节点之间的信息自发传输和控制。人们可以通过互联网远程观测和控制居住环境的温度、湿度、电器状态。尽管智能家居的概念出现了很多年,但受制于通信技术和应用方面的发展缓慢,智能家居的实用化和产业规模一直没有突破。随着ZigBee无线通信的发展,智能家居不再受控于传统布线和标准不一的限制,在未来不久会加速走进人们的生活。ZigBee无线模块可以安装在照明设备、空调系统、遥控装置上实现对家庭电器的控制。同时ZigBee还可以通过终端设备采集居住环境的各种信息并上传到服务器,实现对居住环境的监测。通过对居住环境的信息设定阈值,可以对家庭电器实现自发控制。基于ZigBee的智能家居提供了网络化、智能化、安全化的居住环境。

1 ZigBee技术概述及其特点

  1.1 ZigBee技术概述

  ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗的个域网协议。ZigBee技术是基于这个协议的短距离、低功耗的无线通信技术[1]。ZigBee的协议分为两部分:IEEE 802.15.4定义了PHY(物理层)和MAC(介质访问层)的技术规范;ZigBee联盟定义了NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)的技术规范[2]。ZigBee协议将各个层的定义集合在一起,以函数的形式实现,为用户提供API调用。

  1.2 ZigBee技术的特点

  ZigBee采用无线连接的方式,可以工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3个频段上,最高传输速率可以达到250 kb/s[1],它的传输距离在110 m的范围内,但通过组网方式可以继续增加距离。每个ZigBee节点最多可以和65 000个无线模块组网,这对于智能家居控制节点的范围来说是足够的。作为一种无线通信技术,ZigBee具有功耗低、可靠性高、组网功能强大、安全性高的特点。

  ZigBee主要适合应用在自动控制和远程控制领域。它可以嵌入各种设备[3],在智能家居中实现控制节点的无线组网,避免了智能家居采用传统布线所带来的问题,使智能家居的实用化和规范化成为可能。

2 基于ZigBee智能家居设计方案

  2.1 传统的智能家居系统

  国外最早开始研究智能家居始于20世纪70年代,第一个智能家居的实现是美国对一座旧体大楼进行改造,通过计算机实现了对照明系统和电梯的控制。我国的智能家居研究起步比较晚,迄今为止也就8~9年的时间。传统的智能家居采用有线的方式,不仅要求专业人员施工、专门公司维护,而且施工周期长、费用高、维护维修难、系统灵活性差、扩展能力低,智能家居系统建成之后用户根本无法更新升级。

  2.2 基于ZigBee的智能家居系统设计方案

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  基于ZigBee的智能家居系统结构如图1所示,中央控制系统(Cortex A8)通过无线网络(ZigBee)控制智能灯光模块、智能温度模块、智能烟雾模块、智能RFID模块、智能报警模块(蜂鸣器,未画在框图中)等多个功能模块。在中央控制单元可以通过Qt界面实时显示智能家居内部各模块实时状态,如温度、LED灯亮灭、烟雾状态等。嵌入式数据库SQLite保存LED灯、温度、烟雾等状态信息以及RFID门禁记录。远程客户端可以通过应用Web/CGI形式通过浏览器实时查询智能家居内部信息(LED灯、温度、烟雾等),也可以把家居内部信息定时上报给手机客户端。

  2.2.1 家庭网络

  家庭网络通过1个ZigBee协调器和4个ZigBee节点通过无线组网方式连接。4个节点将采集到的信息转发给ZigBee协调器,节点之间不相互通信。每个ZigBee对应一个16位的短地址,ZigBee可以根据地址来确定是哪一个节点传输过来的信息。同时协调器可以将发过来的信息通过串口传输给中央控制系统;反过来中央控制系统也可以通过串口给协调器发送数据,数据会传输到指定的节点从而控制相应的电器(如LED灯)。

  2.2.2 家庭网关

  家庭网络和外部网络的通信是通过家庭网关来实现的,从而实现了远程观测和控制,主要考虑通过Internet和手机网络接入。实际上本系统主要采用ARM芯片和外围模块充当网关。通过移植uboot→移植Linux内核→移植Linux根文件系统来进行基本开发环境的搭建。

  Web服务器的搭建可以在此基础上进行BOA移植并简单地配置。通过编写HTML文件和CGI程序实现远程访问服务器。用户通过浏览器地址栏添加访问并回车触发这个申请,Web服务器接收到这个申请并读取相应的HTML文件送回浏览器,返回的是控制界面,通过提交表单调用CGI程序来实现对数据库的查询和相应节点的控制。

3 ZigBee智能家居无线网络设计方案

  作为智能家居的重要组成部分,ZigBee一方面将各个节点的信息通过协调器传送给家庭网关,从而方便用户通过浏览器来远程查看;另一方面,ZigBee协调器要能接收到网关传输过来的信息并发送给特定的节点,从而允许用户可以远程控制相应的电器。

  3.1 ZigBee网络节点硬件设计方案

  网络节点分为采集节点和主控节点(也称协调器)。采集节点将采集的数据实时发送给主控节点。主控节点接收采集节点的数据并发送命令控制室内设备。

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  节点采用TI推出的CC2530模块,其系统框图如图2所示,通过串口与主控节点通信,所有节点受主控端节点控制。

  主控节点电路分别由CC2530模块、复位键、开关键、一个标准串口、网络状态指示灯、开关指示灯和6个设备指示灯组成,底板为双层玻纤板,采用两节5号电池供电。主控节点硬件框图如图3所示。

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  3.2 ZigBee无线网络软件设计方案

  ZigBee组网方式有三种,分别是树状、星状和网状[4]。每种组网方式都至少需要一个ZigBee协调器[5]。本文采用星状组网方式。需要在ZigBee协议栈的应用层进行相应的修改,这里使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈,然后根据节点的类型选择下载到采集节点或主控节点。采集节点的软件设计如图4所示,控制节点如图5所示。

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  采集节点首先从终端读取信息,数据通过分析之后按照固定的格式传递给协调器控制节点。控制节点通过短地址来确定接收或发送的节点,将信息传递给制定节点,从而观测或者控制相应设备。同时可以通过设定极限值,以对相应设备进行自动控制。通过浏览器可以看到各个节点的信息,如图6所示。

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  使用ZigBee模块建立家庭无线网络,将信息的感知采集和传输通过无线网络来进行,解决了传统布线带来的不可升级和更新的问题。ZigBee强大的组网功能使得家庭网络的覆盖密度大,特别适用于采集节点数目比较多的居住环境。同时通过设定极限值,可以实现节点之间自发控制。

  参考文献

  [1] 吕然.ZigBee标准及其进展[J].移动通信,2013(9):73-77.

  [2] 蒋承延,吴思远,陈伟.基于无线传感器网络的智能家居系统[J].微计算机信息,2007,23(13):199-201.

  [3] 黄磊.基于ZigBee技术的智能家居方案研究[J].嵌入式网络技术应用,2009(5):71-73.

  [4] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

  [5] 金纯,罗祖秋.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.