基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)在住宅設(shè)計中的應(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。人們對智能化居住環(huán)境的期望更加強烈，為滿足人們對這些迫切期望的需求，智能家居系統(tǒng)越來越受到重視。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)計中的應(yīng)用。論文首先對相關(guān)的ZigBee技術(shù)、無線傳感器技術(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發(fā)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺；最后對本家居系統(tǒng)進(jìn)行了測試，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

1、智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1.1國外智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國外的智能家居系統(tǒng)發(fā)展速度比我國的發(fā)展要早十幾年，各式各樣的家用智能設(shè)備已經(jīng)在歐美市場上普遍出現(xiàn)，不管是出自于小公司Netpliance的iOpener，還是來源于大公司Compaq的iPAQ，這些家用智能設(shè)備已經(jīng)占據(jù)了歐美市場。根據(jù)不完全可靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2001年美國就有1900萬件智能家電被消費，2002年美國智能已高達(dá)163億美元。與此同時，2000年新加坡近6000戶家庭使用了智能家居系統(tǒng)，而美國有將近3萬戶家庭使用智能家居系統(tǒng)。迄今為止，國外智能家居系統(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。德國的EIB系統(tǒng)；新加坡的8X系統(tǒng)；美國的X-10系統(tǒng)都就國外主流人智能家居系統(tǒng)。

1.2國內(nèi)智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國智能家居發(fā)展比較緩慢，但是行業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展的比較合理?？v觀我國智能家居的發(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、海爾等都是走的國內(nèi)技術(shù)前沿的。

2、智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計

2.1本設(shè)計模型是在已經(jīng)建成的住宅里面通過綜合布線實現(xiàn)的。ZigBee 技術(shù)是一種雙向無線通信技術(shù)，主要具有距離短、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等特點，基于ZigBee 技術(shù)的這些特點，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)更新升級方便；

（2）硬件設(shè)計合理，易損件可拆卸更換；

（3）使用的電氣電路簡單，使用芯片個數(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）計算機及其網(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，可方便控制各個系統(tǒng)硬件的運行；

（3）本系統(tǒng)監(jiān)控軟件保護用戶應(yīng)用軟件的安全運行。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)計與實現(xiàn)

3.1 本系統(tǒng)的硬件采用基于ARM9的開發(fā)的嵌入式開放式開發(fā)平臺，開發(fā)板使用飛凌FL-2430 ARM。FL2430開發(fā)板使用核心板+底板設(shè)計，性能相當(dāng)穩(wěn)定，運行可靠，跟其他開發(fā)板比起來，F(xiàn)L2430開發(fā)板具有體積小、功耗低、性能高、接口豐富的優(yōu)勢，這也是此系統(tǒng)采用該平臺進(jìn)行開發(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USB接口連接ZigBee無線管理模塊，為ZigBee家庭無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信，并且實現(xiàn)從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)的無線自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。通過此接口也可保證在linux系統(tǒng)下的驅(qū)動問題目的是做到即插即用，實現(xiàn)多個模塊可重復(fù)使用。

3.2家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺及總體方案設(shè)計

通過多方面的比對，在本系統(tǒng)的無線模塊設(shè)計中，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開源的linux操作系統(tǒng)，主要包括以下幾個部分：

（1） 采用32M byte的flash存儲器，可以存儲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，可以更快的運行系統(tǒng)時的程序和數(shù)據(jù)存儲器；

（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)行實時的數(shù)據(jù)傳輸；

（3）具有多個串行接口，一個串行接口可以和ZigBee無線模塊雙向通信。另一個接口可以作為開發(fā)板與PC機連接的方式，開發(fā)板在使用前要經(jīng)過PC機進(jìn)行連接配置；

3.3節(jié)點傳感器設(shè)計

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

磁鐵和開關(guān)是構(gòu)成門磁的兩個部件，開關(guān)部分包括干簧管等元器件，通過磁鐵同極相斥、異極相吸原理實現(xiàn)輸出端信號的閉合和開路的控制。

（2）紅外對射傳感器

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

（3）可燃?xì)馓綔y器

本系統(tǒng)采用的探測器型號是LH99，能夠感應(yīng)30平方米內(nèi)的泄漏氣體，當(dāng)泄露達(dá)到一定濃度后就會報警，并且發(fā)出蜂鳴聲，同時也可將報警信號傳出。

當(dāng)出現(xiàn)不正常的情況時，上面的集中傳感器都會發(fā)出報警信號。圖3-1是傳感器和CC2430模塊的接口電路。通過實例演示其工作原理。例如當(dāng)門閉合時，門磁傳感器就會發(fā)生短路，輸入P2.0的信號就變?yōu)橄鄬Φ碗娖健Ｔ谶@種情況下，CC2430的無線模塊是處于待機狀態(tài)的；當(dāng)門打開的時候，情況相反，當(dāng)短路時，信號為高電平，這個時候CC2430就會處于喚醒狀態(tài)，借助無線網(wǎng)絡(luò)將報警信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其它的情況和這個基本相同，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建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變的時候，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就能夠自動修復(fù)，重新建立連接，使網(wǎng)絡(luò)正常運行。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動聯(lián)網(wǎng)和自動修復(fù)都不需要人工干預(yù)，實現(xiàn)了自動化組網(wǎng)功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建由三個部分組成，首先上電初始化完成基本啟動工作。然后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)減少或增加設(shè)備時以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，系統(tǒng)需要進(jìn)行更新。另外，ZigBee實現(xiàn)節(jié)點終端與網(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)的運行。ZigBee一旦癱瘓，整個系統(tǒng)的無法正常運轉(zhuǎn)。因此，ZigBee的自組織能力和自修復(fù)能力優(yōu)勢保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的運行。

ZigBee系統(tǒng)的組網(wǎng)主要以下幾個方面：

（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） 各個節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信

設(shè)備啟動建立新網(wǎng)絡(luò)是借助NLMME-NET.WORK-FORMATION.request物理語言來完成的，這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立的前提必須是不能接其他網(wǎng)絡(luò)，更重要的一點是必須具備ZigBee的協(xié)調(diào)器功能。當(dāng)組建網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)層首先要請求MAC層檢測信道容量，這部分需要通過MLME-SCAN.request機器語言，掃描結(jié)果將通過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開發(fā)平臺

由于本文軟件借助QT開發(fā)平臺，（QT開發(fā)平臺是開源網(wǎng)絡(luò)平臺）本文不再詳細(xì)說明?；赒t/Embedded開發(fā)的所有應(yīng)用程序最終都會發(fā)布到安裝有嵌入式Linux系統(tǒng)的小型設(shè)備上，并測試使用，所以使用Linux操作系統(tǒng)的PC或者工作站來完成Qt/Embedded開發(fā)是實際可用，也是最有效的。

4、結(jié)束語

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)計出了一個基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居演示系統(tǒng)。其設(shè)計過程從智能家居系統(tǒng)概念的提出，軟、硬件的選擇應(yīng)用出發(fā)，并通過網(wǎng)絡(luò)擴展功能，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的效果，達(dá)到了最初設(shè)計的要求，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)是未來住宅家居設(shè)計的發(fā)展趨勢，有很大的發(fā)展空間，也為建筑電氣設(shè)計者提出了更高的要求。

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