ARM處理器和ZigBee的智能家居解決方案

張 瑤，侯遠(yuǎn)韶

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州451150)

0 引言

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)生活環(huán)境的舒適性、安全性和效率性提出了更高的要求。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，將家庭中的家用電器、照明設(shè)備、安防設(shè)備等集成于一體，智能家居應(yīng)運(yùn)而生［1］。為了將系統(tǒng)有機(jī)的整合到一起，又具有擴(kuò)展性能好、功耗低等特點(diǎn)，ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議被廣泛應(yīng)用在智能家居的設(shè)計(jì)中。其可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)鋸?fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，使家居中的每個(gè)部分都是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相互獨(dú)立又相互連接，然后通過(guò)協(xié)議統(tǒng)一管理。這種方案將傳統(tǒng)意義的智能家居又帶入了另一個(gè)高度和領(lǐng)域，其高度的可靠性及低成本低功耗等特點(diǎn)被人們廣泛認(rèn)可。今后的智能家居會(huì)是家居裝修中必不可少的一部分。

1 傳統(tǒng)的智能家居解決方案

1.1 傳統(tǒng)智能家居控制方案

傳統(tǒng)的智能家居采用單片機(jī)作為主控制器，外接各種傳感器，使用PC機(jī)作為監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控家中的各種狀態(tài)，更高級(jí)一點(diǎn)的外加一個(gè)GPRS模塊，與用戶手機(jī)進(jìn)行綁定，將報(bào)警信息及時(shí)發(fā)送到用戶手機(jī)以便查看。但是此種方案中每個(gè)模塊都是獨(dú)立的，而沒(méi)有形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，加之單片機(jī)引腳數(shù)量、處理速度以及穩(wěn)定性的限制，其擴(kuò)展性能較差，早已在智能家居領(lǐng)域被替代［2］。

1.2 傳統(tǒng)智能家居網(wǎng)絡(luò)方案

目前的智能家居網(wǎng)絡(luò)大多采用藍(lán)牙，Wi－fi，RFID射頻等技術(shù)。

藍(lán)牙是一種支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的近距離通信的無(wú)線技術(shù)，支持手機(jī)、ipad、無(wú)線耳機(jī)、個(gè)人電腦以及相關(guān)外設(shè)等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。但其通訊距離太短(傳統(tǒng)距離只有10米，升級(jí)的PowerClass1距離可達(dá)100米)，同時(shí)穩(wěn)定性不夠，已經(jīng)不能滿足智能家居的設(shè)計(jì)要求［3］。另外藍(lán)牙采用配對(duì)機(jī)制，通信的雙方必須通過(guò)同一個(gè)密鑰才能進(jìn)行通信，一定程度上降低了通信效率，并且安全性也不高，很容易解密，其組網(wǎng)能力和抗干擾能力都不夠，更沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)自愈功能，同時(shí)很容易被干擾。所以其在智能家居中并不是一個(gè)很完美的解決方案。

Wi－Fi對(duì)于我們并不陌生，其中文名為無(wú)線保真，其實(shí)它就是一個(gè)高頻無(wú)線電信號(hào)，可以將手持設(shè)備、電腦等以無(wú)線方式相互連接起來(lái)，也是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)。其遵循IEEE802.11b的協(xié)議［4］。它的最大貢獻(xiàn)就是人們可以隨時(shí)隨地連接到互聯(lián)網(wǎng)。但對(duì)于智能家居應(yīng)用來(lái)說(shuō)Wi－Fi有兩個(gè)致命的缺陷:威脅健康安全和信息安全，加之其功耗高、組網(wǎng)能力差、自修復(fù)能力差。因此Wi－Fi雖然在我們的生活中不可或缺，但在智能家居的應(yīng)用中，Wi－Fi只是起到了輔助的作用。

RFID全稱(chēng)Radio Frequency Identification，中文名稱(chēng)無(wú)線射頻識(shí)別，是一種基于星型網(wǎng)絡(luò)的短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，通常應(yīng)用在POS機(jī)、超市、公交卡當(dāng)中［5］。在主控制器和從設(shè)備之間距離過(guò)遠(yuǎn)的情況下，需要額外添加信號(hào)中繼器，不僅增加了成本也增加了開(kāi)發(fā)的難度。其安全性普遍較差，并且不能夠自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)識(shí)別。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，其在智能家居中的應(yīng)用并不能讓人們所滿意，已經(jīng)不是大多數(shù)廠商選擇的方案。

2 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee是一種可靠性高，通訊距離可以達(dá)到幾百米甚至幾公里，新興的低速率無(wú)線通信技術(shù)，現(xiàn)主要應(yīng)用于無(wú)線傳感控制應(yīng)用領(lǐng)域(Sensor and Control)。針對(duì)IEEE僅能處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議的弊端，ZigBee聯(lián)盟在通信協(xié)議基于IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。它依據(jù)獨(dú)有的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器間的協(xié)調(diào)傳輸。它通過(guò)協(xié)調(diào)器間彼此互聯(lián)、協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)相連的方式，組成多個(gè)內(nèi)部交叉式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)協(xié)調(diào)器最多可連接255個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可根據(jù)需要增加路由數(shù)目以進(jìn)行拓展，提高了ZigBee的兼容性。ZigBee所展現(xiàn)出來(lái)的低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、高安全等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使其在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域具有很高的適用性和兼容性。

ZigBee協(xié)議包括物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等多級(jí)層級(jí)結(jié)構(gòu)。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［6－8］。其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)原理圖

3 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)采用三星公司S3C2440處理器為主控制器，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家電的數(shù)字化管理。系統(tǒng)將家用電器、照明系統(tǒng)、窗簾、門(mén)禁及各類(lèi)傳感器等通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)建立家庭無(wú)線局域網(wǎng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)計(jì)算機(jī)、手機(jī)等移動(dòng)終端對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)家電的信息化、智能化管理。為便于理解分析，可將系統(tǒng)分為由家電設(shè)備組成的內(nèi)部系統(tǒng)和移動(dòng)控制終端組成的外部系統(tǒng)兩個(gè)模塊，而整個(gè)系統(tǒng)的核心則是內(nèi)部系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)，它不僅負(fù)責(zé)內(nèi)部與外部之間的相互通信，而且通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。系統(tǒng)將門(mén)禁控制、可視對(duì)講、門(mén)鎖等一系列安全設(shè)施進(jìn)行有機(jī)整合，通過(guò)安裝在室內(nèi)的紅外探測(cè)傳感器、水位傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器等各種傳感器對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與ARM控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信連接。當(dāng)CO濃度、燃?xì)鉂舛?、水位高度等超過(guò)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值的時(shí)候，傳感器即通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)告知ARM控制器，ARM控制器根據(jù)信號(hào)做出關(guān)掉水龍頭，關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)等相應(yīng)處理，并且將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶移動(dòng)終端。系統(tǒng)同時(shí)可以利用計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)內(nèi)部家電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如在未進(jìn)入家門(mén)之前定時(shí)或提前開(kāi)啟空調(diào)、熱水器或照明系統(tǒng)，出門(mén)旅行出差時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控家里安保狀況等，以適應(yīng)現(xiàn)代人快速的生活節(jié)奏和日益周密的安全問(wèn)題。除計(jì)算機(jī)外，系統(tǒng)同時(shí)支持智能手機(jī)、掌上電腦等移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行外部控制，以此提高系統(tǒng)的實(shí)用性和便利性。方案總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

CC2530芯片是用于2.4－GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE 應(yīng)用 的一個(gè)片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，其低廉的成本使得系統(tǒng)可以建立全方位的高覆蓋率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以此進(jìn)行全面細(xì)致的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線局域網(wǎng)，用戶由遠(yuǎn)程控制端發(fā)來(lái)的控制信息，經(jīng)過(guò)處理發(fā)給上述無(wú)線局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)根據(jù)信息中的地址信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)設(shè)備上的無(wú)線節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電等設(shè)備的控制和家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件連接框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件連接框圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

該部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主控制器S3C2440一方面通過(guò)串口(UART)與內(nèi)部系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器相連;一方面通過(guò)網(wǎng)口與外部系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)家電或傳感器信號(hào)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、主控制器、無(wú)線控制終端間的數(shù)據(jù)信息交互傳輸，相當(dāng)于系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。在這一部分中，需要對(duì)無(wú)線控制終端進(jìn)行操作系統(tǒng)移植，嵌入式服務(wù)器搭建等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要將家中的各種傳感器以及監(jiān)控設(shè)備采集到的各種模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與之前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，一旦超限即發(fā)聲報(bào)警并將信息傳送到無(wú)線控制終端。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)傳統(tǒng)的智能家居解決方案和ARM處理器和ZigBee的智能家居方案進(jìn)行了闡述與對(duì)比，展示出ZigBee的解決方案具有兼容性好、自組網(wǎng)能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)。接著給出了一種基于ZigBee和ARM處理器的智能家居設(shè)計(jì)方案，此方案具有穩(wěn)定性好、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代社會(huì)人們生活居住和辦公必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。

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