基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹歡歡

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基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹歡歡

上海交通大學(xué)，上海 200240

研究了智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的選擇和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

智能家居；ZigBee；家庭網(wǎng)關(guān)；GPRS；模塊；動(dòng)態(tài)網(wǎng)站

引言

隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平大幅度提高，對(duì)生活環(huán)境的要求也越來(lái)越高。實(shí)現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今產(chǎn)業(yè)的重要研究任務(wù)，隨之而提出了一連串的新概念：家庭自動(dòng)化、家庭信息化、智能家居等。智能家居是人類住宅的又一場(chǎng)新的革命，它能夠?yàn)槿祟愄峁└虞p松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，是未來(lái)居住模式的必然發(fā)展趨勢(shì)。因此，智能家居系統(tǒng)也在逐漸成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

1 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能家居系統(tǒng)可以劃分為外部網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部網(wǎng)三個(gè)部分[1]。外部網(wǎng)可以是小區(qū)局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet等，大多采用比較成熟的技術(shù)。內(nèi)部網(wǎng)則是用于互連家庭內(nèi)部各種電器和設(shè)備的局域網(wǎng)，由于所連接的設(shè)備功能不同，其組網(wǎng)形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內(nèi)部網(wǎng)根據(jù)其功能大體上分為三類：用于實(shí)現(xiàn)控制功能的控制網(wǎng)絡(luò)，用于交換數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)是連接家庭內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，將內(nèi)部網(wǎng)接入外部網(wǎng)，為外部網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制功能，同時(shí)，家庭網(wǎng)關(guān)允許家庭內(nèi)部可以采用不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用網(wǎng)關(guān)為不同的通信子網(wǎng)提供橋接的能力，使各子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可以相互通信。智能家居系統(tǒng)框架如圖1所示。本設(shè)計(jì)主要對(duì)內(nèi)部網(wǎng)和家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖1智能家居系統(tǒng)框架

2 內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇

智能家居內(nèi)部設(shè)備的互聯(lián)需要通過(guò)各種有線、無(wú)線的通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制也需要各種通信技術(shù)的支撐。

有線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常采用預(yù)布的五類線、總線或電力線傳輸控制信號(hào)。遙控的功能通過(guò)無(wú)線或紅外接入點(diǎn)，把遙控指令轉(zhuǎn)化為有線控制指令傳輸給受控家居的智能模塊，其中，總線方式采用強(qiáng)弱電分離的機(jī)制，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性很強(qiáng)，但缺點(diǎn)是需要預(yù)布控制線，需要的輔助設(shè)備比較多，難安裝、難調(diào)試、難維護(hù)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。電力載波方式利用一個(gè)或多個(gè)直接接入強(qiáng)電的無(wú)線接入點(diǎn)，通過(guò)交流強(qiáng)電作為載波傳輸控制信號(hào)，缺點(diǎn)是控制信號(hào)直接在強(qiáng)電網(wǎng)上傳輸，信號(hào)不穩(wěn)定而且極易受外界干擾，在應(yīng)用中表現(xiàn)出很大的地區(qū)差異性。

無(wú)線組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是靈活性、移動(dòng)性和可擴(kuò)展性，其是有線組網(wǎng)方式所無(wú)法具備的，能更好地適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境的需要，每個(gè)家居的智能感應(yīng)模塊都是一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)，彼此互不干擾。無(wú)線組網(wǎng)方式所需要解決的難題也很多，如頻譜資源分配、功率大小、傳輸?shù)目煽啃缘?。目前?yīng)用的各種無(wú)線技術(shù)包括Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙、GSM、3G等，這些技術(shù)相對(duì)成熟，前三種技術(shù)適用于房間內(nèi)設(shè)備組網(wǎng)，而后兩種技術(shù)則可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接入。ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙技術(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1 ZigBee、Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)的對(duì)比

通過(guò)表1可以看出ZigBee技術(shù)具有低功耗、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，符合智能家居內(nèi)部網(wǎng)的要求。

４整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)使用三個(gè)配置Jennic公司的JN5139模塊的傳感器板和ZigBee技術(shù)來(lái)搭建內(nèi)部網(wǎng)，分別使用以Windows XP為操作系統(tǒng)的PC機(jī)和以Linux為操作系統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板（FL2440）來(lái)設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)關(guān)，使用GPRS模塊（MC55）來(lái)負(fù)責(zé)短信發(fā)送和接收。在Windows XP環(huán)境下使用JSP技術(shù)、Tomcat服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站，而在嵌入式Linux環(huán)境下使用CGI技術(shù)、Boa服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站。本設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 本設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是能讓用戶通過(guò)手機(jī)短信或局域網(wǎng)范圍內(nèi)的Web瀏覽器來(lái)對(duì)傳感器板的發(fā)光二極管進(jìn)行監(jiān)控，查詢傳感器的數(shù)據(jù)，得知求助信息。這里我們將發(fā)光二極管當(dāng)作為一個(gè)家電設(shè)備，求助信息當(dāng)作為報(bào)警信息。

家庭網(wǎng)關(guān)是連接家庭網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的接口單元，應(yīng)該能夠提供家庭聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障、安全管理、維護(hù)管理、地址管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，除了提供基本接入功能之外，還可以擴(kuò)展提供特定應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)使用GPRS模塊（MC55）來(lái)實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送和接收的功能。另外，本設(shè)計(jì)分別在PC機(jī)和ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板（FL2440）設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站和一個(gè)應(yīng)用程序，其用來(lái)處理硬件平臺(tái)之間的通信，讓用戶可以通過(guò)短信或Web瀏覽器來(lái)監(jiān)控家里的家電設(shè)備、查詢傳感器的數(shù)據(jù)以及獲知報(bào)警信息。PC機(jī)使用Windows XP作為操作系統(tǒng)，而FL2440使用Linux 2.6.28作為操作系統(tǒng)[2]。

本設(shè)計(jì)將PC機(jī)和嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板分別使用，目的是PC機(jī)可對(duì)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)進(jìn)行初步測(cè)試，并證明系統(tǒng)的可行性。而嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板則用于正式研究和開(kāi)發(fā)。

[1]鄭權(quán).基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2010.

[2]王永春.ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息，2009（1）：76-79.

Design of smart home system based on ZigBee

Cao Huanhuan

Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

This paper studies the design of smart home system，including the choice of the internal network network and the design of the entire system.

smart home；ZigBee；home gateway；GPRS module；dynamic website

TP273.5

A

1009-6434（2016）12-0009-04