基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)在住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

徐振福 胡克成

【摘要】隨著人們生活水平的日益提高，信息化已經(jīng)成為人們生活的一部分。人們對(duì)智能化居住環(huán)境的期望更加強(qiáng)烈，為滿足人們對(duì)這些迫切期望的需求，智能家居系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。本文主要研究基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)在住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。論文首先對(duì)相關(guān)的ZigBee技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)和智能家居系統(tǒng)模型進(jìn)行了可行性分析；在此基礎(chǔ)上整合了基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)；然后搭建了基于ZigBee的智能家居控制嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)；最后對(duì)本家居系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，將ZigBee技術(shù)融合到智能家居系統(tǒng)中提高了智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；智能家居；住宅設(shè)計(jì)

1、智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.1國(guó)外智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的智能家居系統(tǒng)發(fā)展速度比我國(guó)的發(fā)展要早十幾年，各式各樣的家用智能設(shè)備已經(jīng)在歐美市場(chǎng)上普遍出現(xiàn)，不管是出自于小公司Netpliance的iOpener，還是來(lái)源于大公司Compaq的iPAQ，這些家用智能設(shè)備已經(jīng)占據(jù)了歐美市場(chǎng)。根據(jù)不完全可靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年美國(guó)就有1900萬(wàn)件智能家電被消費(fèi)，2002年美國(guó)智能已高達(dá)163億美元。與此同時(shí)，2000年新加坡近6000戶家庭使用了智能家居系統(tǒng)，而美國(guó)有將近3萬(wàn)戶家庭使用智能家居系統(tǒng)。迄今為止，國(guó)外智能家居系統(tǒng)發(fā)展日益成熟，將近有60%的住宅具備智能家居系統(tǒng)功能。德國(guó)的EIB系統(tǒng)；新加坡的8X系統(tǒng)；美國(guó)的X-10系統(tǒng)都就國(guó)外主流人智能家居系統(tǒng)。

1.2國(guó)內(nèi)智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)智能家居發(fā)展比較緩慢，但是行業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展的比較合理。縱觀我國(guó)智能家居的發(fā)展歷史，主要是由家電類、安防類、網(wǎng)絡(luò)通信等廠家發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)然其中也不乏專門從事智能家居生產(chǎn)的廠家。例如紫蜂、海爾等都是走的國(guó)內(nèi)技術(shù)前沿的。

2、智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

2.1本設(shè)計(jì)模型是在已經(jīng)建成的住宅里面通過(guò)綜合布線實(shí)現(xiàn)的。ZigBee 技術(shù)是一種雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要具有距離短、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等特點(diǎn)，基于ZigBee 技術(shù)的這些特點(diǎn)，特別適用與在現(xiàn)代建筑中的智能家居系統(tǒng)中。此智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)包括外部網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及家庭網(wǎng)關(guān)三部分。本文的智能家居設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖2-1所示。

圖2-1 智能家居系統(tǒng)的框架

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件要求

智能家居系統(tǒng)的硬件要求為：

（1）使用硬件系統(tǒng)更新升級(jí)方便；

（2）硬件設(shè)計(jì)合理，易損件可拆卸更換；

（3）使用的電氣電路簡(jiǎn)單，使用芯片個(gè)數(shù)少。

智能家居系統(tǒng)的軟件要求為：

（1）應(yīng)用軟件部分是在操作系統(tǒng)之上的用戶程序，能夠滿足用戶的需求；

（2）計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：操作體統(tǒng)是用戶軟件和硬件的連接器，可方便控制各個(gè)系統(tǒng)硬件的運(yùn)行；

（3）本系統(tǒng)監(jiān)控軟件保護(hù)用戶應(yīng)用軟件的安全運(yùn)行。合理的提高了應(yīng)用軟件的安全性。

3、基于ZigBee技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 本系統(tǒng)的硬件采用基于ARM9的開(kāi)發(fā)的嵌入式開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)板使用飛凌FL-2430 ARM。FL2430開(kāi)發(fā)板使用核心板+底板設(shè)計(jì)，性能相當(dāng)穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，跟其他開(kāi)發(fā)板比起來(lái)，F(xiàn)L2430開(kāi)發(fā)板具有體積小、功耗低、性能高、接口豐富的優(yōu)勢(shì)，這也是此系統(tǒng)采用該平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的主要原因。

本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用S3C2430主控制器，通過(guò)USB接口連接ZigBee無(wú)線管理模塊，為ZigBee家庭無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信，并且實(shí)現(xiàn)從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)此接口也可保證在linux系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題目的是做到即插即用，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊可重復(fù)使用。

3.2家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)及總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)多方面的比對(duì)，在本系統(tǒng)的無(wú)線模塊設(shè)計(jì)中，采用三星公司的Arm板S3C2430微型處理器作為核心處理器，微處理器S3C2430采用四線制的SPI方式和CC2430射頻芯片相互通信，其中微控制器采用主模式，射頻收發(fā)器采用從模式。

該嵌入式的操作系統(tǒng)采用眾所周知的免費(fèi)開(kāi)源的linux操作系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)部分：

（1） 采用32M byte的flash存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)Bootloader和Linux操作系統(tǒng)以及相應(yīng)文件系統(tǒng)；采用128M byte的RAM內(nèi)存，可以更快的運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

（2）采用CS8900A模塊，可以提供10Mb/s的以太網(wǎng)連接通信速度。滿足TCP/IP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸；

（3）具有多個(gè)串行接口，一個(gè)串行接口可以和ZigBee無(wú)線模塊雙向通信。另一個(gè)接口可以作為開(kāi)發(fā)板與PC機(jī)連接的方式，開(kāi)發(fā)板在使用前要經(jīng)過(guò)PC機(jī)進(jìn)行連接配置；

3.3節(jié)點(diǎn)傳感器設(shè)計(jì)

本文采用的傳感器是豪恩科技公司的系列產(chǎn)品。

（1）窗磁、門磁傳感器

磁鐵和開(kāi)關(guān)是構(gòu)成門磁的兩個(gè)部件，開(kāi)關(guān)部分包括干簧管等元器件，通過(guò)磁鐵同極相斥、異極相吸原理實(shí)現(xiàn)輸出端信號(hào)的閉合和開(kāi)路的控制。

（2）紅外對(duì)射傳感器

當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)域并有所動(dòng)作時(shí)，紅外傳感器可以感應(yīng)到。然后一定會(huì)發(fā)生紅外輻射變化，進(jìn)一步使監(jiān)控報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，完成入侵者鍵控報(bào)警過(guò)程。當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，輸出的是高電平信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有異常情況時(shí)，傳感器輸出的是低電平信號(hào)，紅外對(duì)射傳感器，也叫主動(dòng)紅外傳感器，本文使用的LHP-50D型號(hào)。電紅外傳感器又叫被動(dòng)紅外傳感器，本文使用的是LH-902B型號(hào)。

（3）可燃?xì)馓綔y(cè)器

本系統(tǒng)采用的探測(cè)器型號(hào)是LH99，能夠感應(yīng)30平方米內(nèi)的泄漏氣體，當(dāng)泄露達(dá)到一定濃度后就會(huì)報(bào)警，并且發(fā)出蜂鳴聲，同時(shí)也可將報(bào)警信號(hào)傳出。

當(dāng)出現(xiàn)不正常的情況時(shí)，上面的集中傳感器都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖3-1是傳感器和CC2430模塊的接口電路。通過(guò)實(shí)例演示其工作原理。例如當(dāng)門閉合時(shí)，門磁傳感器就會(huì)發(fā)生短路，輸入P2.0的信號(hào)就變?yōu)橄鄬?duì)低電平。在這種情況下，CC2430的無(wú)線模塊是處于待機(jī)狀態(tài)的；當(dāng)門打開(kāi)的時(shí)候，情況相反，當(dāng)短路時(shí)，信號(hào)為高電平，這個(gè)時(shí)候CC2430就會(huì)處于喚醒狀態(tài)，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其它的情況和這個(gè)基本相同，但為了節(jié)省成本，我們可以將不同的傳感器接到同一個(gè)CC2430模塊上。

圖3-1 傳感器連接電路

3.4家庭網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力，能夠非常方便的自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就能夠自動(dòng)修復(fù)，重新建立連接，使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)修復(fù)都不需要人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化組網(wǎng)功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建由三個(gè)部分組成，首先上電初始化完成基本啟動(dòng)工作。然后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)減少或增加設(shè)備時(shí)以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行更新。另外，ZigBee實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)終端與網(wǎng)關(guān)間的協(xié)同管理、自由通信。ZigBee家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的總指揮，也就是核心控制單元，是電器設(shè)備和控制設(shè)備溝通的橋梁，協(xié)助系統(tǒng)的運(yùn)行。ZigBee一旦癱瘓，整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，ZigBee的自組織能力和自修復(fù)能力優(yōu)勢(shì)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

ZigBee系統(tǒng)的組網(wǎng)主要以下幾個(gè)方面：

（1） 智能系統(tǒng)上電初始化

（2） 網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)拓?fù)涓?/p>

（3） 各個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信

設(shè)備啟動(dòng)建立新網(wǎng)絡(luò)是借助NLMME-NET.WORK-FORMATION.request物理語(yǔ)言來(lái)完成的，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立的前提必須是不能接其他網(wǎng)絡(luò)，更重要的一點(diǎn)是必須具備ZigBee的協(xié)調(diào)器功能。當(dāng)組建網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層首先要請(qǐng)求MAC層檢測(cè)信道容量，這部分需要通過(guò)MLME-SCAN.request機(jī)器語(yǔ)言，掃描結(jié)果將通過(guò)MLME-SCAN.confim返回。網(wǎng)絡(luò)層并收到掃描結(jié)果后進(jìn)行處理，使用MLME-SET.request選擇合適的信道容量。

3.5 QT開(kāi)發(fā)平臺(tái)

由于本文軟件借助QT開(kāi)發(fā)平臺(tái)，（QT開(kāi)發(fā)平臺(tái)是開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)）本文不再詳細(xì)說(shuō)明。基于Qt/Embedded開(kāi)發(fā)的所有應(yīng)用程序最終都會(huì)發(fā)布到安裝有嵌入式Linux系統(tǒng)的小型設(shè)備上，并測(cè)試使用，所以使用Linux操作系統(tǒng)的PC或者工作站來(lái)完成Qt/Embedded開(kāi)發(fā)是實(shí)際可用，也是最有效的。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文明確的闡述了基于ZigBee智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究，最終設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的智能家居演示系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)過(guò)程從智能家居系統(tǒng)概念的提出，軟、硬件的選擇應(yīng)用出發(fā)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的效果，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的要求，為以后家居系統(tǒng)智能化研究提供了一種思路。但是本文的設(shè)計(jì)中還存在些許不足，仍需要繼續(xù)完善。智能家居系統(tǒng)是未來(lái)住宅家居設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，有很大的發(fā)展空間，也為建筑電氣設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。

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