基于LonWorks與ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)建

張佑春 張曉娟 朱煉

(安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系，合肥 231131)

隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化和無線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的家居設(shè)備本身存在通用性差、可擴(kuò)展性低、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一以及通信組網(wǎng)不便等諸多不足，越來越不能適應(yīng)當(dāng)下家居行業(yè)發(fā)展的需求。

智能家居(Smart Home)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、傳感器技術(shù)、綜合布線技術(shù)和多媒體等技術(shù)的家居生活管理集成，是高效的日常事物管理系統(tǒng)。智能家居研究主要涉及智能家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家居控制管理系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等8大子系統(tǒng)的研究。借助現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，智能家居系統(tǒng)可以和各種模塊系統(tǒng)相互通訊，再通過發(fā)送相關(guān)指令，指揮家居各系統(tǒng)分工協(xié)作，使家居更加舒適、方便、溫馨、智能和安全。本次研究在分析智能家居系統(tǒng)特征與需求的基礎(chǔ)上，借助LonWorks技術(shù)完成了整個(gè)智能家居系統(tǒng)模型的搭建，并運(yùn)用ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布線，方便了無線接入。

1 基于LonWorks與ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為基于LonWorks與ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)硬件框圖。對(duì)于支持LON協(xié)議的設(shè)備，如LON照明控制器、LON空調(diào)控制器、LON給排水控制器等，可以直接通過電力線接到LonWorks總線上;對(duì)于485總線設(shè)備，如水電氣三表，可以通過485-LON網(wǎng)關(guān)接到LonWorks總線上;對(duì)于無線設(shè)備，如藍(lán)牙、紅外、WiFi、WiMAX、ZigBee也可以通過相應(yīng)網(wǎng)關(guān)接到LonWorks總線上。通過LonWorks總線與通用PC接口，如USB接口可完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。圖1所示直接數(shù)字控制器(Direct digital controller，DDC)的主要作用是，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)控制器連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，一方面與上級(jí)控制中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，另一方面發(fā)出請(qǐng)求并接收各種控制命令。

2 基于LonWorks與ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee協(xié)議棧Z-Stack程序的設(shè)計(jì)

整個(gè)Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，硬件抽象層(HAL)提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用 I/O口 GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集［6-8］。操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)提供了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)ZStack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)初始化、OSAL初始化和啟動(dòng)，以及任務(wù)輪循。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 ZigBee無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的建立

圖3為ZigBee無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的建立流程。首先，每個(gè)設(shè)備的協(xié)議棧必須要對(duì)其PHY和MAC層初始化，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須且只能有一個(gè)是個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Co-ordinator)，個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)地址(PAN ID)作為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，可以人為預(yù)定義;除64位IEEE MAC地址外，還須分配一個(gè)16位的短地址，選擇2.4 GHz作為ZigBee通訊頻率;設(shè)備以Co-ordinator的模式啟動(dòng)，然后就開放請(qǐng)求應(yīng)答，有可以利用的Co-ordinator，設(shè)備就可以申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，如果設(shè)備被Co-ordinator接受，將獲得短地址作為標(biāo)識(shí)，即可傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 基于LonWorks與ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)硬件框圖

圖2 Z-Stack系統(tǒng)流程圖

圖3 ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)建立流程

2.3 底層控制網(wǎng)絡(luò)的搭建

此次研究基于LonWorks與ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡(luò)，采用Echelon公司提供的LonMaker for Windows軟件搭建，并且進(jìn)行控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、安裝和監(jiān)護(hù)。在控制網(wǎng)絡(luò)搭建過程中，借助海灣HW-DDC5208控制模塊和HWDDC5210時(shí)鐘模塊，通過調(diào)用內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能模塊(Real Time)和任務(wù)列表功能模塊(Event Scheduler)，完成系統(tǒng)的時(shí)間事件控制模式設(shè)置，通過設(shè)置小狀態(tài)機(jī)功能模塊(Small State Machine)規(guī)則參數(shù)，完成整個(gè)系統(tǒng)控制方案的配置。底層控制網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 底層控制網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 上層監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

上層監(jiān)控界面采用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)監(jiān)控軟件主要包括3部分，即三表數(shù)據(jù)采集、有限控制和無線控制。通過三表數(shù)據(jù)采集顯示水表、電表和氣表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便抄表;對(duì)于照明、空調(diào)和給排水的控制，采用有線控制方式，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕便可進(jìn)入相關(guān)控制子界面，從而滿足控制需求;借助ZigBee無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的組建，最終在力控組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)無線開關(guān)、無線插座和無線門磁的上層控制。上層監(jiān)控界面如圖5所示。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

借助動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(Dynamic Data Exchange，DDE)，上位PC機(jī)和下位DDC控制器可以較為方便地建立通訊通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互訪問。通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)行效果良好，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的手動(dòng)與自動(dòng)控制。

圖5 上層監(jiān)控界面圖

3 結(jié)語

本次研究首先利用LonWorks技術(shù)完成系統(tǒng)主體框架的搭建，再借助ZigBee技術(shù)完成部分局域無線網(wǎng)絡(luò)的建立，使得智能家居系統(tǒng)既具有集中監(jiān)視與分散控制的能力，同時(shí)又具有布線簡(jiǎn)化的優(yōu)勢(shì)。需要說明的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速興起也給智能家居的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，未來的智能家居系統(tǒng)將會(huì)給用戶提供一個(gè)便捷、高效、功能豐富的智能居住空間。

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