基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在家居電器監(jiān)控中的應用

張思俊 徐冬冬 王樂樂 陸振宇

摘要：該文提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術組建的家居電器監(jiān)控網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠對家居電器的用電環(huán)境、實時狀態(tài)進行很好地監(jiān)控，可及時找出問題電器，從而消除了電器的安全隱患。該監(jiān)控網(wǎng)絡組網(wǎng)方便，將嵌有無線傳感器的電器同互聯(lián)網(wǎng)相連，通過傳感器技術和Zigbee無線通信技術的融合，實現(xiàn)電器實時信息的采集、融合、傳輸和反饋，使遠距離控制電器成為可能。該監(jiān)控網(wǎng)絡提供了舒適、安全、方便和人性化的智能電器使用環(huán)境，同時也達到了“一個終端控制多個家電”的目的。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；家居電器監(jiān)控；ZigBee無線通信技術；

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)07-1500-02

Research in the Monitoring of Electrical Household Appliances Based on ZigBee Wireless Sensor Etworking

ZHANG Si-jun, XU Dong-dong, WANG Le-le, LU Zhen-yu

(School of Electronic＆Information Engineering, Nanjing University of Information Science＆Technology, Nanjing 210044,China)

Abstract: This paper presents a electrical monitoring network based on ZigBee wireless sensor networking.The networking is able to monitor the electrical environment of the household electrical appliances easily.Embedded wireless sensor electrical appliances connected with the Internet,Through the integration of sensor technology and Zigbee wireless communication technology, we can get electrical real-time information collection, integration and transmission, remote control. The networking provides a comfortable, safe, convenient and user-friendly smart electrical environment.

Key words: wireless sensor networking; monitoring of electrical household appliances; ZigBee wireless communication technology

“ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽??！盳igBee數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。這種無線通信技術的通訊距離從標準的75m一直到幾百米、幾公里不等，并且支持無限擴展。同時ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)的頻段上,其最高的傳輸速率為250kbit/s，它的傳輸距離一般在10-75m的范圍內,但可以繼續(xù)增加[1]。

ZigBee技術是一種近年來興起的、并且已經(jīng)得到廣泛應用的無線通信技術，具有如下優(yōu)勢：1)設備省電：由于ZigBee的傳輸速率相對較低，發(fā)射功率僅為1mW，并且采用了休眠模式，因此使用ZigBee通信協(xié)議的設備非常省電。ZigBee技術采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備無法達到的。2)費用低：ZigBee模塊的初始成本僅在35元左右，這些可以有效地降低設備成本，ZigBee的工作頻段為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，因此ZigBee技術是沒有任何使用費用的無線通信技術。3)時間延遲短：通信時間延遲和激活休眠狀態(tài)的時間延遲都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時間延遲為15ms，移動設備信道接入的時間延遲為15ms。因此ZigBee無線通信技術適用于對時間延遲要求苛刻的無線控制的應用。4)網(wǎng)絡容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，200多個ZigBee網(wǎng)絡可以同時存在于一個區(qū)域內。5)數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。以上技術特點決定了本網(wǎng)絡使用ZigBee技術作為無線網(wǎng)絡通信平臺具有良好的實用性[1-2]。

家居電器是未來電器市場的主要對象，隨著科技的進步，越來越多的家電走進了人們的日常生活，家居電器種類繁多，用途廣泛，但目前缺乏統(tǒng)一的、系統(tǒng)的、全面的家電實時監(jiān)控網(wǎng)絡，因此實時監(jiān)控家居電器的使用狀況能為人們日常的家居生活提供更大限度的方便。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡將在這個全新的領域起到越來越重要的作用。

1傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由如下幾個基本單元組成：信息采集單元（由傳感器和模數(shù)轉換功能模塊組成）、微處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構成，包括MCU、存儲器、相關的程序軟件組成等）、無線發(fā)射和接受單元（無線通信模塊組成）、以及電源模塊。此外，還可以選擇定位模塊、移動模塊以及電源供電模塊等的其它功能單元。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，在感知家電內部或者其附近部署大量的信息采集傳感器。這些無線傳感器節(jié)點通過自組織方式構成無線傳感網(wǎng)，通過共同協(xié)作的方式采集、處理和發(fā)送傳感網(wǎng)絡待測家電的相關使用信息，從而實現(xiàn)對任意家用電器在任意時間的采集、處理和發(fā)送。這些需求正體現(xiàn)了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)勢[3]。

圖1傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構示意圖

2智能家居電器無線組網(wǎng)

家庭內部網(wǎng)絡自組技術的推廣程度決定了家居電器實時監(jiān)控的發(fā)展速度。家庭自組網(wǎng)絡是實現(xiàn)整個家居電器實時監(jiān)控的基礎，只有能夠實時監(jiān)控電器內部的各種使用信息，才能實現(xiàn)家居電器智能化使用。為了實現(xiàn)這一目的，家居電器中必須嵌入各種傳感器來采集信息—如工作溫度、開機時間、環(huán)境濕度、零部件的老化程度、電量使用情況等，這些傳感器就構成家電實時監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)末端。如圖2所示為家電自組網(wǎng)絡示意圖。

圖2家電自組網(wǎng)絡示意圖

家電自組網(wǎng)是整個家居電器監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，或者說是整個家居電器監(jiān)控系統(tǒng)的基礎平臺，在選取好合適的家電自組網(wǎng)絡平臺后，通過選取不同的功能模塊，就可以構成一個完整的家電實時監(jiān)控系統(tǒng)[4-6]。

3家電實時監(jiān)控網(wǎng)絡的基礎軟件研究

美國密西西比州立大學的Robert Reese教授出于教學、科研目的開發(fā)出一套精簡版（subset）ZigBee協(xié)議棧。精簡協(xié)議棧的代碼結構如表1所列，可以看出，精簡協(xié)議棧實現(xiàn)了ZigBee的主要功能。國內一些研究機構在此精簡協(xié)議上進行擴充，實現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。這里再補充一些術語概念，這有助于理解精簡協(xié)議棧的代碼結構[7]。

IEEE Address：節(jié)點的8位802.15.4網(wǎng)絡地址，也稱為長地址；Network Address：節(jié)點的2位網(wǎng)絡地址，也稱短地址；PAN：個人局域網(wǎng)；PAN ID：個人局域網(wǎng)標識符；HAL：協(xié)議棧物理抽象層；PHY：協(xié)議棧物理層；MAC：協(xié)議棧媒體訪問控制層；NWK：協(xié)議棧網(wǎng)絡層；APS：協(xié)議棧應用支持層；APL：協(xié)議棧應用層。精簡協(xié)議棧的代碼結構如表1所列。

表1 ZigBee精簡協(xié)議棧的代碼結構

4結束語

家居電器實時狀態(tài)監(jiān)控是一個新興市場，有著廣闊的應用前景，在科技高速發(fā)展的今天，越來越多的新型家電走進了人們的日常生活，但缺乏一體化的控制設備來不不同功能的家電進行系統(tǒng)化的管理。通過不斷完善和更新由家電組成的無線傳感網(wǎng)絡，來達到更好的使用家電，了解家電實時情況的目的，最終實現(xiàn)“一個終端控制多個家電”的智能化、一體化、實時化家電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡。

參考文獻：

[1] ZigBee技術_百度百科[EB].

[2]胡柯,郭壯輝,汪鐳.無線通信技術ZigBee研究[J].電腦知識與技術,2008(6):1049-1051.

[3]姚曉通,崔小川.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居中的應用研究[J].自動化與儀器儀表,2011(2):10.

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[5]蔡文晶,秦會斌.基于ZigBee精簡協(xié)議的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機電工程,2011(2):224-225.

[6]余向陽.無線傳感器網(wǎng)絡研究綜述[J].單片機和嵌入式系統(tǒng)應用,2008(8):8-12.

[7]于海斌,曾鵬.智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,2006.