基于ZigBee和PLC技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究

周旭坤，楊冠魯

（華僑大學(xué)，福建 廈門 361021）

隨著GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對居身環(huán)境的要求不斷提高，舒適、方便快捷和安全的家居環(huán)境開始被人們所追求，家居智能化已經(jīng)成為必然的趨勢。目前國內(nèi)外都對智能家居進(jìn)行了廣泛深入的研究及其建設(shè)[1-7]。其中參考文獻(xiàn)[1]提出一種基于ZigBee的智能自我調(diào)整傳感器，為的是解決智能家居中設(shè)備的性能和功耗的權(quán)衡問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)節(jié)能效果不錯(cuò)。ZigBee通信技術(shù)具有低功耗、低速率、低成本的雙向通信等特點(diǎn)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[3]。電力線載波通信 PLC（Power Line Communication）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。電力載波技術(shù)有其自身的一些局限性，如配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，不同的信號耦合方式對電力載波信號損失不同，電力線上的固有的脈沖干擾對信號的高度削減[7]。但是電力載波技術(shù)有更好的擴(kuò)展性、更高的可靠性、較好的抗干擾能力等ZigBee技術(shù)不能取代的特點(diǎn)，同時(shí)由于電力線布于墻內(nèi)，硬件相對更安全，不易損壞[8]?；赯igBee技術(shù)和電力載波通信技術(shù)的不同特點(diǎn)，并考慮到智能家居節(jié)能的需求，本文把這兩種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，從而為建設(shè)高效節(jié)能的家居系統(tǒng)提供了一種現(xiàn)實(shí)可行的良好方案。

1 整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 智能家居系統(tǒng)的組成

該智能家居系統(tǒng)主要由觸摸屏控制、網(wǎng)關(guān)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和電力線載波通信4部分組成。其中，觸摸屏控制是主控部分，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用于控制信息的發(fā)送并且顯示家居系統(tǒng)中的信息。網(wǎng)關(guān)用于在觸摸屏控制和無線網(wǎng)絡(luò)之間傳遞信息。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和電力載波負(fù)責(zé)發(fā)送設(shè)備信息和傳遞控制信息到各個(gè)設(shè)備，信息的發(fā)送通過與觸摸屏控制模塊相連的ZigBee節(jié)點(diǎn)和電力線來完成。觸摸屏控制模塊采用ARM嵌入式系統(tǒng)，分為硬件平臺和軟件平臺兩部分，其中硬件平臺采用ARMCortex-M0+處理器及外圍設(shè)備組成，負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)運(yùn)算和GUI的處理，軟件平臺由嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。智能家居整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)可以方便地控制照明燈、窗簾、家用電器等設(shè)備以及煙霧、紅外檢測、攝像監(jiān)控等[9]。

圖1 智能家居整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制模塊

智能家居控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其作用是管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通信。通過用戶發(fā)出的觸摸屏操作指令執(zhí)行相應(yīng)的家電管理控制功能，在必要時(shí)可啟動報(bào)警系統(tǒng)并通過GSM/GPRS向用戶和保安室發(fā)送警情消息，并且連接用戶所需要的各種通信接口，以達(dá)到智能家居方便快捷的通信目的。系統(tǒng)控制方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體控制方案

該控制器采用ARMCortex-M0+作為處理器，ARMCortex-M0+是現(xiàn)有的最節(jié)能的ARM處理器。它構(gòu)建在非常成功的ARMCortex-M0處理器的基礎(chǔ)上，保持其完整的指令集和工具的兼容性，進(jìn)一步降低能耗和提高性能，擁有一個(gè)優(yōu)化的兩階段核心管道架構(gòu)，使Cortex-M0+處理器實(shí)現(xiàn)能耗僅11.2 μW/MHz（90 LP進(jìn)程，最小的配置），而性能提高至 1.77 CoreMark/MHz，因而特別適用于智能家居系統(tǒng)。

1.3 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)用于觸摸屏控制部分和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、PLC部分之間傳遞信息。由于主控芯片ARMCortex-M0+處理器并沒有實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的功能，為了能與ZigBee設(shè)備進(jìn)行通信，還需要在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能?？紤]到串口具有操作方便、協(xié)議簡單的特點(diǎn)，因此在網(wǎng)關(guān)接口使用串口進(jìn)行連接。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.1 硬件選擇

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片，該芯片是用于2.4 GHz、ZigBee和 RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其他功能。外圍包括通用I/O口、A/D轉(zhuǎn)換接口、SPI口以及串口等資源豐富的接口，還配置了一個(gè)高性能射頻收發(fā)器。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器、智能終端以及遙控器等構(gòu)成，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2.2 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)

采用樹簇型網(wǎng)的方式進(jìn)行組網(wǎng)[9]。因?yàn)檫@種組網(wǎng)可以讓設(shè)備節(jié)約功耗，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于空閑的時(shí)候，處理器便進(jìn)入休眠模式，這樣電池的壽命將會得到延長[9]。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，主控制器就屬于此類節(jié)點(diǎn)。路由器主要用于數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)。終端指的是家庭中照明燈、門窗以及各種智能家電設(shè)備。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)用于發(fā)送設(shè)備信息和傳遞控制信息到各個(gè)設(shè)備，所有信息的發(fā)送都是通過與觸摸屏控制模塊相連的ZigBee節(jié)點(diǎn)來完成。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主程序流程圖

3 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)的最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所以用于智能家居通信非常便利。將照明燈、電話、電視、空調(diào)等一系列家用電器利用電力線連接起來通過PLC實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的通信與控制，結(jié)合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、探測器、智能手機(jī)終端及一些不便于連入電力線的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化。

3.1 電力線載波通信模塊設(shè)計(jì)

選用MAX2991電力載波芯片，它是一款性能優(yōu)異的集成芯片，可以有效降低整體系統(tǒng)成本。MAX2991是專為利用電力線傳輸?shù)腛FPM調(diào)制信號而設(shè)計(jì)的電力線通信模擬前端 （AFE）。MAX2991收發(fā)器提供兩個(gè)主要通道：發(fā)送（TX）通路和接收（RX）通路。 發(fā)送通路將OFDM調(diào)制信號注入交流或直流線路，接收通道用于信號增強(qiáng)、濾波和接收信號數(shù)字化。配合MAX2990PLC基帶調(diào)制解調(diào)器，提供當(dāng)前市場上性價(jià)比最高的電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信方案。PLC系統(tǒng)模塊的硬件框圖如圖5所示。

圖5 PLC系統(tǒng)模塊的硬件框圖

3.2 信號傳輸

本文采用微控制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)采集信號，先從電力線路上采集智能電表監(jiān)測到的電能等各種數(shù)據(jù)信息，然后用信號轉(zhuǎn)換器把信號檢測出來并轉(zhuǎn)換為可以在電力線路上傳輸?shù)男盘?。最后客戶端可以通過ARM主控制器發(fā)出相應(yīng)的指令，方便快捷地控制家庭里的智能終端設(shè)備。PLC程序流程圖如圖6所示。

圖6 PLC程序流程圖

4 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，因?yàn)長inux內(nèi)核是采用模塊化設(shè)計(jì)的一種自由和開放源碼的操作系統(tǒng)，并以靈活性和高效性著稱，具有字符界面和圖形界面，支持多用戶、多任務(wù)、多線程，且保證各用戶之間不受影響。在此刪除了其中冗余的功能模塊，減少代碼數(shù)量，降低系統(tǒng)時(shí)延，寫入了需要的底層驅(qū)動，而且Linux操作系統(tǒng)支持Internet協(xié)議及其他通信協(xié)議，這樣就不需要增加額外的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

本文通過綜合考慮ZigBee和PLC技術(shù)應(yīng)用于智能家居中的優(yōu)勢和不足，把這兩種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中，通過主控器可以對智能家電進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制，該方案實(shí)現(xiàn)了兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，既可以實(shí)現(xiàn)ZigBee的低功耗低成本和靈活的組網(wǎng)能力等特點(diǎn)，又避免了使用傳統(tǒng)智能家居數(shù)據(jù)線與電力線分離的繁瑣布線過程，同時(shí)也對老式住宅改造為智能家居提供了極大便利，充分體現(xiàn)了智能家居節(jié)能減排這一宗旨。因此，基于ZigBee和PLC技術(shù)的智能家居方案具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值。

隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越成為研究熱點(diǎn)，相信IEC61850標(biāo)準(zhǔn)必將應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、通信協(xié)議的一致性。

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