基于ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳培亞 ，王 鋼

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

智能家居以住宅為平臺(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，將家中的各種電子電氣設(shè)備通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接在一起，集中遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理家庭事物，讓家居生活更加舒適、安全、有效。

智能家居屬于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信、家電、建筑、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)等行業(yè)的交叉領(lǐng)域。各行業(yè)因?yàn)椴煌男袠I(yè)背景和發(fā)展思路，制定了各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，選用了不同的技術(shù)組合。目前智能家居還處于發(fā)展階段，各種新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，并且尚無規(guī)范統(tǒng)一的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品可直接應(yīng)用[1]。基于此背景，本文以ZigBee技術(shù)的發(fā)展為契機(jī)，結(jié)合嵌入式Internet技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一套智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。家庭網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的主干，如何組建家庭網(wǎng)絡(luò)和建立家庭網(wǎng)關(guān)決定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和靈活性。

1 組建家庭網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)組建家庭網(wǎng)絡(luò)多采用總線控制技術(shù)，主 要有 X-10、CEBus、LonWorks 和 ApBus 等幾種[2]。由于有線網(wǎng)絡(luò)存在布線麻煩、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，將無線通信技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。目前比較常用的短距離無線通信技術(shù)有Wi-Fi、Bluetooth、UWB、Z-Wave、ZigBee等。 相對(duì)于其他技術(shù)，ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)大容量、低速率、低功耗、較長(zhǎng)傳輸距離、短時(shí)延、高安全性、工作頻段靈活的特點(diǎn)。

智能家居家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)燈光、水表、電表、安防報(bào)警、家電等組網(wǎng)的電子電氣設(shè)備數(shù)量較多，而網(wǎng)內(nèi)傳送的是控制命令和數(shù)字等小容量數(shù)據(jù)，不需要太大的傳輸速率，但要求網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、功耗低。因此使用Zig-Bee技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)是比較理想的選擇。

1.1 ZigBee協(xié)議及硬件設(shè)備

ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC層。ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)層。ZigBee規(guī)范確定了三種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺(tái)ZigBee協(xié)調(diào)器。在組網(wǎng)方式上，ZigBee支持星形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三種拓?fù)湫问健?/p>

由于眾多廠商對(duì)ZigBee無線技術(shù)前景的看好，許多符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊紛紛被研制出來以滿足客戶對(duì)ZigBee產(chǎn)品的開發(fā)需求，例如Chipcon公司的CC2420、TI公司收購Chipcon公司后推出的CC2430/CC2431、飛思卡爾的 MC1322x、Jennic公司的 JN51系列。本文選用了集成Jennic公司JN5139芯片的GAINSJ節(jié)點(diǎn)開發(fā)板，該開發(fā)板集成了天線、溫濕度傳感器SHT10、LED燈、按鍵等外部資源。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由協(xié)議的選擇

通過測(cè)試得知該ZigBee開發(fā)板在室外空曠環(huán)境的通信距離為90 m～100 m，在室內(nèi)有墻壁等障礙物時(shí)的通信距離在30 m左右，當(dāng)有兩堵墻阻隔時(shí)會(huì)出現(xiàn)2%左右的丟包率。在一般的家庭環(huán)境，通過合理的位置擺放可使ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的距離小于30 m，滿足通信要求。為保障系統(tǒng)的健壯可靠，在每個(gè)房間的門口增加ZigBee路由器，既降低了一跳的通信距離要求，又避免和降低了墻壁等障礙物引起的丟包現(xiàn)象。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三種拓?fù)湫问剑鐖D2所示。本文從樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中選擇更適合智能家居系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 樹形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)Cluster-Tree路由算法，此路由算法較為簡(jiǎn)單，相當(dāng)于靜態(tài)路由，需要硬件配置較低，按照此算法，數(shù)據(jù)包只能轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)需要AODVjr路由算法，此算法較為復(fù)雜，相當(dāng)于動(dòng)態(tài)路由，需要的硬件配置較高，但是節(jié)點(diǎn)間通信更為靈活[3]。而在本文智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，不存在終端節(jié)點(diǎn)之間的通信，完全是協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信，所以選擇了樹形結(jié)構(gòu)和Cluster-Tree路由算法。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

GAINSJ的集成開發(fā)環(huán)境是 Jennic提供的Code：：Blocks版本。Code：：Blocks是一個(gè)全功能開放源代碼的跨平臺(tái)C/C++集成開發(fā)環(huán)境。Jennic公司在此基礎(chǔ)上添加了JN5139 編譯器、JN5139 Flash Programmer、IEEE 802.15.4 Stack Software、ZigBee Stack Software等組件。

Flash Programmer工具用來將編譯好的代碼下載到GAINSJ開發(fā)板中，在 Code：：Blocks集成開發(fā)環(huán)境中編寫好應(yīng)用程序代碼并編譯鏈接相應(yīng)的庫，生成二進(jìn)制文件(*.bin文件)后，就可以利用 Flash Programmer通過串口將二進(jìn)制文件下載到開發(fā)板上的Flash中[4]。

家庭網(wǎng)絡(luò)采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，通過串口接收和處理家庭網(wǎng)關(guān)傳來的命令；發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，接收和處理ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)幀，通過串口傳送數(shù)據(jù)給家庭網(wǎng)關(guān)。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。ZigBee路由器負(fù)責(zé)分配管理網(wǎng)絡(luò)地址和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)，接收來自協(xié)調(diào)器的命令并執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果通過數(shù)據(jù)幀發(fā)送給協(xié)調(diào)器，定期采集處理溫濕度，如果數(shù)據(jù)超標(biāo)就發(fā)送數(shù)據(jù)幀給協(xié)調(diào)器，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

本文選用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Cluster-Tree路由算法，下面節(jié)選了一個(gè)在終端節(jié)點(diǎn)中調(diào)用的發(fā)送函數(shù)及參數(shù)設(shè)置來說明如何使用選定的路由算法。

圖4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

這個(gè)函數(shù)用來向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求。倒數(shù)第二個(gè)參數(shù)是路由發(fā)現(xiàn)模式，有三種設(shè)置，本文使用SUPPRESS_ROUTE_DISCOVERY，即如果路由表已經(jīng)建立，那么數(shù)據(jù)將使用現(xiàn)有的路由表路由；如果路由表沒有建立，那么數(shù)據(jù)將沿樹形路徑路由。

2 建立家庭網(wǎng)關(guān)

2.1 嵌入式Internet技術(shù)及硬件設(shè)備

家庭網(wǎng)關(guān)的作用是使內(nèi)部ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)和外部Internet互聯(lián)互通。本文采用嵌入式Internet技術(shù)，建立嵌入式Web網(wǎng)站，通過遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)頁監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備。嵌入式設(shè)備具有體積小、功耗低、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)[5]。

本文選用mini2440開發(fā)板做為家庭網(wǎng)關(guān)，它以Samsung的 S3C2440處理器為核心，并輔以SDRAM、Flash等基本的系統(tǒng)外圍設(shè)備，還需配備連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的RS232接口和以太網(wǎng)絡(luò)控制器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在mini2440上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟是：(1)搭建交叉編譯開發(fā)環(huán)境，在宿主機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)，安裝arm-linux-gcc編譯器；(2)在目標(biāo)板mini2440上移植 BOA服務(wù)器，配置 boa.config文件；(3)在目標(biāo)板上進(jìn)行html文件和.cgi文件測(cè)試，確保BOA服務(wù)器正常工作；(4)編寫 html靜態(tài)網(wǎng)頁和 CGI動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，編寫 UART串口通信程序，邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)果和展望

mini2440家庭網(wǎng)關(guān)和ZigBee協(xié)調(diào)器通過RS232串口線相連，ZigBee路由器和終端節(jié)點(diǎn)擺放在房間的不同位置，mini2440家庭網(wǎng)關(guān)和PC機(jī)通過網(wǎng)線相連，IP地址分別為：192.168.1.120和 192.168.1.230。

在PC機(jī)上打開瀏覽器，輸入 http：//192.168.1.120，即為登錄界面，輸入用戶名、密碼，認(rèn)證成功后，為主界面，如圖6所示。在家電狀態(tài)查詢欄里點(diǎn)擊第一個(gè)查看，可獲得并顯示室1的溫濕度；點(diǎn)擊第二個(gè)查看，可獲得并顯示室2的溫濕度。在家電狀態(tài)設(shè)置欄里設(shè)置家電1為開，家電查詢欄中對(duì)應(yīng)狀態(tài)顯示on，同樣設(shè)置家電2為關(guān)。第三欄定時(shí)查詢溫濕度，如果超標(biāo)自動(dòng)顯示在頁面，還具有查看報(bào)警歷史記錄的功能。

本文實(shí)現(xiàn)了智能家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主干部分，組建ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)，建立嵌入式Web家庭網(wǎng)關(guān)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。將ZigBee技術(shù)及嵌入式Web技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)具有易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展、方便實(shí)用、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。隨著該技術(shù)在智能家居市場(chǎng)的推廣，將有良好的應(yīng)用前景。

[1]童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J].移動(dòng)通信，2010，34(9)：16-20.

[2]馬季.智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

[3]鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.

[4]徐勇軍，劉峰，王春芳，等.低速無線個(gè)域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[5]宋雅麗，唐曉晟.基于OSGi家庭網(wǎng)關(guān)和Web Service技術(shù)的智能家庭系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(6)：1542-1544.