基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計*

陳龍濤，羅桂娥，周 衛(wèi)，唐瑋圣

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

“智能家居”通常是指以住宅為平臺，兼?zhèn)浼彝プ詣踊?、家庭網(wǎng)絡(luò)、信息家電，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。它利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力自動化技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，進行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理。

有線網(wǎng)絡(luò)存在著布線困難、擴展性差等缺點，隨著現(xiàn)代短距離無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，在智能家居系統(tǒng)中采用無線組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢。目前比較常用的短距離無線通信技術(shù)主要有藍牙技術(shù)（Bluetooth）、Wi-Fi、UWB、 紅 外 技 術(shù) （IrDA）、ZigBee、 射 頻 識 別 技 術(shù)（RFID）等。與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的特點是[1]：（1）低成本：每塊ZigBee芯片的價格大約為 2美元，且Zigbee協(xié)議免專利費；(2)低功耗：在待機模式下，2節(jié) 5號干電池可支持 1個節(jié)點工作 6～24個月；（3）低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率只有 20 kb/s～250 kb/s；（4）近距離：單個設(shè)備的有效覆蓋范圍在10 m～75 m之間，具體取決于實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式；（5）短時延：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都很短。典型的設(shè)備搜索時延為 30 ms，休眠激活時延為 15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15 ms；（6）高可靠：采取碰撞避免機制，避免發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；（7）網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活：支持多種組網(wǎng)方式和大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可容納大約 65 000個設(shè)備；（8）高安全：提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，提供三級安全性，采用AES-128加密算法，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性；（9）工作頻段靈活：使用頻段為2.4 GHz、915 MHz（美國）及 868 MHz（歐洲），均為免執(zhí)照頻段。

智能家居網(wǎng)絡(luò)中的各類安防報警、傳感、抄表數(shù)據(jù)、燈光、門禁及家電開關(guān)控制信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速率，但要求容量大、實時性好、可靠性高、功耗低。智能家居系統(tǒng)若要在未來普及，發(fā)展趨勢是低成本、安裝簡便、使用方便、可擴展性好、自組織以及嵌入式應(yīng)用。綜合這些特點，ZigBee技術(shù)是實現(xiàn)智能家居比較合適的選擇。

1 ZigBee協(xié)議

ZigBee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù)，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議[2]包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層、應(yīng)用層及高級應(yīng)用層規(guī)范。IEEE 802.15.4[3]定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計。應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和用戶自定義的應(yīng)用服務(wù)。與其他的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，ZigBee協(xié)議組件簡單緊湊，對某種具體實現(xiàn)的要求很低，實現(xiàn)相對容易。

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)每一層負責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路提供服務(wù)。下面的層為上面的層執(zhí)行一組特定的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體提供管理服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點SAP為上層提供一個接口，每個SAP支持多種服務(wù)原語來實現(xiàn)要求的功能。

2 基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)技術(shù)

2.1 ZigBee設(shè)備

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通常可以劃分為兩種類型[4]，一種是全功能器件(FFD)，它可以承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信；另一種是簡化功能器件(RFD)，它不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，只能與FFD通信，兩個RFD之間不能直接通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)定義了三種功能設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coor dinator)、網(wǎng)絡(luò)路由器(Router)和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(End Device)。前兩種都是FFD，后一種是RFD。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[5]：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個FFD作為Coordinator實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立和協(xié)調(diào)功能。

考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)的實際情況：設(shè)備可能分布在不同的房間，家具墻壁等障礙因素會使每個設(shè)備的通信范圍減小的同時增大干擾；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有可擴展性，應(yīng)該可以通過增加路由節(jié)點擴展覆蓋范圍；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有一定的可靠性和健壯性，不能由于少數(shù)設(shè)備的崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)失效，盡量保證每次通信的成功?；谝陨峡紤]，本智能家居系統(tǒng)選擇了網(wǎng)型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由

ZigBee執(zhí)行用于AODV專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，簡化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端節(jié)點不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點要向任何一個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，只需簡單地將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父設(shè)備，由它的父設(shè)備以自己的名義執(zhí)行路由。同樣地，任何一個設(shè)備要給終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)點的父節(jié)點都以其自身名義回應(yīng)。

3 基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以ARM9為主控制器（家庭服務(wù)器），由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器節(jié)點、多路傳感器節(jié)點、多路家電控制節(jié)點組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中各個傳感器節(jié)點采集溫度、濕度、光照條件等狀態(tài)通過ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)傳輸。各個控制器節(jié)點由紅外遙控解碼和其他控制部分組成，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的指令控制相應(yīng)的家用電器工作。協(xié)調(diào)器在程序設(shè)立的信道上建立PAN網(wǎng)絡(luò)，并通過串口把各傳感器狀態(tài)顯示在主控制器的LCD上。

3.2 智能家居主控制器的功能

智能家居主控制器接收由協(xié)調(diào)器傳輸來的各類傳感器返回的狀態(tài)信息，通過事先由用戶設(shè)定好的各個指標(biāo)（溫度、濕度、光照條件等）的閾值進行綜合智能判斷，采取對應(yīng)的控制措施發(fā)出各類家電控制指令。同時通過在μClinux操作系統(tǒng)里架設(shè)基于WEB的BOA服務(wù)器，可實現(xiàn)遠程PC的Http訪問，主控制器將各種傳感器和家電信息通過BOA服務(wù)器反饋給遠程PC，主控制器也可以通過BOA服務(wù)器將遠程PC發(fā)送的各類控制信息傳遞給協(xié)調(diào)器。

智能家居主控制器以ARM9內(nèi)核的Samsung S3C24lO為核心，外擴網(wǎng)卡、LCD、SDRAM、Flash等模塊。軟件方面，主控制器的軟件開發(fā)工作包括μClinux的移植、底層驅(qū)動程序的開發(fā)、開源BOA服務(wù)器的配置、嵌入式OS上的應(yīng)用程序開發(fā)。

3.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點

Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點在此系統(tǒng)中有兩個模塊：FFD與RFD。其中RFD由傳感器模塊（家電控制模塊）、處理器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊4部分組成。傳感器模塊和家電控制模塊在每個RFD中只出現(xiàn)一種，取決于此RFD的用途是用于數(shù)據(jù)采集還是家電控制。兩種用途的RFD數(shù)量也可靈活配置，有利于節(jié)省成本。傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等各類傳感器以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。家電控制模塊包括紅外遙控解碼和其他控制部分，負責(zé)接收和解析從主控制器發(fā)來的控制命令，同時采取相應(yīng)的措施控制家電運作。處理器模塊負責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、ZigBee協(xié)議棧運行、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等。數(shù)據(jù)傳輸模塊負責(zé)與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。由于有先進的SoC技術(shù)，故本設(shè)計采用集微處理器和RF收發(fā)芯片一體的SoC芯片CC2430。

CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由兩節(jié)1.5 V堿性電池組成，采用LM1117穩(wěn)壓芯片，未來趨勢將采用微型紐扣電池應(yīng)用到終端節(jié)點上，以進一步減小節(jié)點體積，便于安裝。FFD與RFD相比，缺少了傳感器模塊和家電控制模塊，同時增加了控制器的RAM和ROM容量以及主頻，主要用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和路由。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計方面，Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中既充當(dāng)RFD的角色，又充當(dāng)FFD的角色，RFD與FFD的軟件設(shè)計流程如圖2所示。

本文根據(jù)ZigBee技術(shù)的特點和現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的要求，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的總體構(gòu)架以及軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)方案。采用ARM9芯片為主控制器，通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)家庭內(nèi)部的通信，使家庭網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備形成一個整體的智能家居控制體系，而非單一的變量控制體系。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求，具有成本低、功耗低、通用性強、可擴展性好等優(yōu)點，是一種有效的解決方案。

[1]黃磊，付菲，閔華松.基于 ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究[J].微計算機信息，2009，25(14)：71-73.

[2]AKYILDIZE.Wireless sensor networks：A survey[J].Computer Networks，2002，38：392-422.

[3]LAN/MAN Standards Committee.Part 15.4：Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks[EB/OL].[2010-03-20].http：//www.zigbee.org/.

[4]KINNEY P.ZigBee technology：wireless control that simply works[DB/OL].(2010-03-20)http：//www.hometoys.com/htinews/oct03/articles/kinney/zigbee,htm.

[5]ZigBee V1.0 Architecture Overview[EB/OL].[2005-09-16].http：//www.ZigBee.org Mar 2006-Open-House-Presentations/ZigBee%20 Architecture2.pdf.