基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 宋國(guó)鵬 周云峰 朱夢(mèng)宇

1.引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，已經(jīng)開(kāi)始考慮如何將智能控制技術(shù)應(yīng)用于日常生活，如實(shí)現(xiàn)家中電器的智能控制，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)家中的老人、小孩，自動(dòng)的預(yù)警、提示可能會(huì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)等。

在技術(shù)層面，智能家居系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并且要求多種網(wǎng)絡(luò)之間的有效互聯(lián)，還對(duì)電纜的使用有所限制。近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得這些難題得以解決[1][2]，在現(xiàn)實(shí)需求與技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，各種針對(duì)不同應(yīng)用方向的智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但隨著研究的深入，系統(tǒng)續(xù)航能力、可擴(kuò)展性、安全可靠性等越來(lái)越多的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題逐漸凸顯，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的開(kāi)放性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性等方面提出了更高的要求。

2.幾種無(wú)線傳輸技術(shù)的比較

2.1 幾種常見(jiàn)的無(wú)線傳輸技術(shù)

目前主要的無(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙，Wi-Fi，紅外，以及ZigBee技術(shù)。在組件網(wǎng)絡(luò)方面幾種技術(shù)各有特色。相比之下，ZigBee技術(shù)是一種相對(duì)低功耗，低速率，通信范圍相對(duì)較大的通信技術(shù)。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線通信技術(shù)望塵莫及的。而ZigBee技術(shù)較大的網(wǎng)絡(luò)容量，也為智能家居系統(tǒng)需要的龐大的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)ZigBee模塊成本低廉，每個(gè)模塊僅有6美元，適合大規(guī)模組網(wǎng)使用[3]。

2.2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用

ZigBee從一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)用來(lái)構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)特點(diǎn)決定的[4]：

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專(zhuān)注于日常家居生活的低傳輸應(yīng)用。

(2)功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用六個(gè)月到兩年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的研發(fā)者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

(3)成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且免收專(zhuān)利費(fèi)，大大降低了成本。

(4)網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。

(5)時(shí)延短：通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。

(6)安全性：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES一128加密算法。

(7)有效范圍：有效覆蓋范圍10~1000米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

(8)工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。

而與之相反，目前其它無(wú)線通信技術(shù)基本上只是被設(shè)計(jì)作為有線傳輸?shù)奶娲?，為手機(jī)和附近的耳機(jī)或PDA聯(lián)網(wǎng)使用。這些技術(shù)可以在不充電的情況下工作幾天或者幾周，但無(wú)法滿(mǎn)足更長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航要求。

一般情況下，藍(lán)牙設(shè)備需要人工手動(dòng)配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接;它可以用來(lái)有效地處理8個(gè)設(shè)備(一個(gè)主設(shè)備和7個(gè)從設(shè)備)之間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，如果更多的話，通訊速率則顯著下降。而802.11（Wi—Fi）也有類(lèi)似的問(wèn)題，雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡(luò)的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)使其在個(gè)人生理信號(hào)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)方面將有很好的應(yīng)用前景［5］。

3.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 智能家居系統(tǒng)的基本組成

智能家居系統(tǒng)需要考慮能耗、覆蓋面積、傳輸速率和多網(wǎng)互聯(lián)等因素。本研究采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的監(jiān)控，生理信號(hào)的采集，并結(jié)合Internet和GSM／CDMA網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)日常家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

其中，人體生理信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)利用搭載傳感器的便攜式可編程擴(kuò)展模塊作為采集終端，家用電器監(jiān)控系統(tǒng)利用嵌入其中的控制模塊同時(shí)作為控制與數(shù)據(jù)采集終端，均通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理終端可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者GSM／CDMA網(wǎng)絡(luò)和一般普通的移動(dòng)終端（如手機(jī)）通信。用戶(hù)可以通過(guò)短信指令等方式對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可以隨時(shí)隨地了解到家中老人小孩的生理參數(shù)，并且可以及時(shí)收到突發(fā)狀況的報(bào)警，利用事先設(shè)定閾值函數(shù)的方式制定一系列的系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。

3.2 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種類(lèi)型：星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。

考慮在智能家居系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可能分布在多個(gè)房間之中，但它們都需要將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。因此，我們的系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)依次輪詢(xún)每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)被詢(xún)問(wèn)到時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸給中心節(jié)點(diǎn)。

3.3 智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

整個(gè)系統(tǒng)分為三部分，家用電器監(jiān)控系統(tǒng)用于采集環(huán)境參數(shù)以及控制家居設(shè)備，如采集室溫，二氧化碳濃度，智能切斷總電源等。人體生理信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)用于采集人體參量，如采集人體體溫，脈搏，血氧濃度等。由這兩部分所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，經(jīng)過(guò)計(jì)算并與閾值進(jìn)行比對(duì)提取出有效信息，再連接至Internet或GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程用戶(hù)終端通信。遠(yuǎn)程用戶(hù)終端收到家中的數(shù)據(jù)后，可以向數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)出反饋指令。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器在接到反饋指令后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通信，將用戶(hù)指令傳達(dá)至相應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)家中設(shè)備遠(yuǎn)程控制和環(huán)境調(diào)節(jié)。

3.4 智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Zigbee CC2430節(jié)點(diǎn)，是ZigBee模塊和各種傳感器的載體，我們以其作為智能家居系統(tǒng)中的主要組成部分。CC2430節(jié)點(diǎn)的核心是一塊工業(yè)級(jí)8051單片機(jī)，封裝了ZigBee模塊。擁有21個(gè)可編程I/O引腳以及一個(gè)串口。作為前端節(jié)點(diǎn)是可以搭載豐富的數(shù)據(jù)采集傳感器，作為中心節(jié)點(diǎn)是可以通過(guò)串口和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器通信，并且通過(guò)睡眠模式可以最大限度的節(jié)約電量，提高續(xù)航能力。

我們通過(guò)二氧化碳傳感器(S-100)和溫度傳感器(DS18B20)采集環(huán)境參量。各種數(shù)據(jù)采集傳感器封裝好了可以根據(jù)用戶(hù)的需求直插在前端采集節(jié)點(diǎn)上?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行靈活的組合，實(shí)現(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)完成多重復(fù)雜任務(wù)。

圖1 智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

封裝好的人體生理信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，將集成了脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)采集，并且設(shè)置了按鈕可以方便使用者在危急情況下發(fā)出求救信號(hào)。該模塊集成了體溫和脈搏采集功能，制作成了穿戴式設(shè)備。對(duì)日常生活影響小，便于時(shí)刻對(duì)生理參數(shù)進(jìn)行記錄。發(fā)生緊急情況時(shí)除了可以自動(dòng)報(bào)警之外，在未發(fā)生狀況時(shí)，如果被監(jiān)護(hù)人感覺(jué)不是可以通過(guò)按鈕發(fā)出信號(hào)。

4.總結(jié)

ZigBee技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)都很適合智能家居這個(gè)應(yīng)用背景。其低功耗，短距離低速傳輸功能使得它在日常家居環(huán)境中的應(yīng)用游刃有余。通過(guò)和互聯(lián)網(wǎng)以及GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)使得用戶(hù)能夠在千里之外，實(shí)現(xiàn)對(duì)于家中各種設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。試想一下，勞累了一天，下班回家路上一個(gè)短信就可以讓空調(diào)預(yù)熱，熱水器工作或者家里老人孩子的健康出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)自己和醫(yī)院就能第一時(shí)間收到求助信號(hào)等，這樣的生活必將使人倍感便捷。

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[2]Malan D,Jones T F.An Ad Hoc sensor network infrastructure for emergency medicate international workshop on wearable and implantable body.Sensor Networks,2004(4).

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