《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ARM及ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計(jì)[圖]
摘要: 本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨(dú)立的家用電器構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng),從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進(jìn)行本地操作,同時(shí)也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
關(guān)鍵詞: ARM ZigBee 智能家居
Abstract:
Key words :
 

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

智能家居是一個(gè)多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng),它以家庭住宅為平臺,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù),將家庭中的各種電器設(shè)備通過某種形式的網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接在一起,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理與調(diào)控,為人們提供一個(gè)舒適、安全、方便、環(huán)保和高效率的生活環(huán)境。

本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨(dú)立的家用電器構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng),從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進(jìn)行本地操作,同時(shí)也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來,很有市場潛力的一種無線連接技術(shù)。它是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求而誕生的。它基于IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Wireless Personal AreaNetwork,WPAN)工作組的80211514標(biāo)準(zhǔn),被稱為ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

完整的ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成,如圖1所示。

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IEEE80211514標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(MAC);網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定,其中應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托,利用無線通信,通過自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非完全相同。為了降低系統(tǒng)的成本,IEEE80211514定義了2種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備FFD (Full FunctionDevice)和精簡功能設(shè)備RFD (Reduced FunctionDevice)。FFD節(jié)點(diǎn)具備控制器的功能,提供數(shù)據(jù)交換,能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)來使用,可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進(jìn)行通信;RFD只能作為終端節(jié)點(diǎn)來使用,而且只能與FFD通信,兩個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)之間不能通信。

Zigbee這一無線通信技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組織、自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,有著廣闊的市場前景。

2 基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信具有如下特點(diǎn):

①傳輸數(shù)據(jù)量小,無需太大的傳輸速度;②網(wǎng)絡(luò)的容量大,以滿足家庭中的各種家電設(shè)備;③信息的實(shí)時(shí)性好,時(shí)延短。

ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)的上述需求,特別是具備自組織、自愈能力,這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。

2.1 能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

智能家居系統(tǒng)可通過GSM/GPRS/CDMA/網(wǎng)絡(luò)、ZigBee個(gè)域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶在戶外可通過手機(jī)調(diào)控家中的電器和照明裝置,也可及時(shí)得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報(bào)警信息;在家中可通過遙控器調(diào)控家電設(shè)備??刂破鬟€兼有可視對講系統(tǒng)室內(nèi)主機(jī)功能,能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息,必要時(shí)可向社區(qū)保安發(fā)出報(bào)警求救信號。系統(tǒng)主要由一個(gè)智能家居控制器和若干個(gè)室內(nèi)監(jiān)控ZigBee功能模塊組成。系統(tǒng)模型如圖2所示。智能家居控制器經(jīng)2個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及2條有線通信線路與外部設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通,因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

ARM及ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計(jì)

智能家居控制器內(nèi)部裝有手機(jī)模塊,通過GSM(GPRS、CDMA)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),與用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向短消息收發(fā)。用戶可通過手機(jī)短消息實(shí)現(xiàn)對家用電器的電源開關(guān)控制以及調(diào)光、調(diào)速控制;控制器以手機(jī)短消息的形式向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號,供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報(bào)警用。

控制器內(nèi)部裝有1個(gè)ZigBee模塊,通過Zig2Bee無線網(wǎng)絡(luò)與家居中的監(jiān)控裝置進(jìn)行通信,作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD)來使用。它負(fù)責(zé)組建智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò),接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令,并做出相應(yīng)地處理。同時(shí)還要將從路由節(jié)點(diǎn)(FFD)或終端節(jié)點(diǎn)(RFD)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3類:第一類為開關(guān)與插座,最簡單的插座通過小電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)對家用電器(如電飯煲、飲水機(jī)、電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電動(dòng)窗簾以及不需要調(diào)光的燈具)的電源開關(guān)控制;較復(fù)雜的智能開關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能,用于吊燈、落地臺燈的調(diào)光或電風(fēng)扇的調(diào)速等。第二類為傳感器產(chǎn)品,其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜,煙霧傳感器用于防火,瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏,還有手動(dòng)報(bào)警按鈕用于突發(fā)事件(如孤寡老人突然發(fā)?。┑膱?bào)警。這些節(jié)點(diǎn)都帶有ZigBee模塊,作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)。第三類為手持遙控器,除實(shí)現(xiàn)對家用電器開關(guān)控制、調(diào)光調(diào)速控制外,還具備照明場景設(shè)定與控制功能。

若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡(luò)和門禁對講系統(tǒng),控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對講系統(tǒng)的室內(nèi)主機(jī)的功能。

控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪客的圖像畫面,與訪客進(jìn)行對講或開鎖操作。此外,控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息;當(dāng)室內(nèi)發(fā)生意外時(shí),可向小區(qū)物管發(fā)送報(bào)警信號。

控制器備有互聯(lián)網(wǎng)接口,供用戶在異地時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運(yùn)行,也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件。下一代互聯(lián)網(wǎng)的問世將為此項(xiàng)功能的應(yīng)用提供極大的支持,到那時(shí),每個(gè)家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址,從而成為網(wǎng)絡(luò)中的一員。

ZigBee的簇狀網(wǎng)絡(luò)綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),我們在實(shí)際應(yīng)用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)組成簇狀網(wǎng)絡(luò)。它具有良好的可擴(kuò)展性,對于大戶型或別墅用戶而言,可以通過增加路由節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍;對于小戶型的用戶而言,可以通過減少路由節(jié)點(diǎn)變成星型網(wǎng)絡(luò),以節(jié)省能量、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.2 能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 能家居控制器簡介

智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器。其組成框圖如圖3所示,它以嵌入式處理器為中心,由手機(jī)模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。智能家居控制器是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的控制中心,其硬件核心是中央處理器,所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央處理器。從功能、可擴(kuò)展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮,我們選擇功能強(qiáng)大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器,存儲(chǔ)器選用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

在人機(jī)接口方面,采用5英寸的TFT液晶屏,并配置相應(yīng)的觸摸屏??捎糜陲@示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息,并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備。另外為了控制方式更靈活,利用處理器的I2C總線接口設(shè)計(jì)鍵盤接口,從而可擴(kuò)展各種控制、報(bào)警方式。

控制器有2個(gè)通信模塊:手機(jī)模塊和ZigBee模塊。手機(jī)模塊由主機(jī)模塊、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成,采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片(GPRS 模塊)。與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS - 232接口,通過使用AT命令完成對該模塊的操作,實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息,通過RS - 232接口與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

控制器配有以太網(wǎng)接口,配合控制器上建立的Web服務(wù)器,用戶可通過Internet完成對家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控。圖3中的RS - 485接口用于與小區(qū)物管的通信(與原有的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)配合。若為新建小區(qū),可直接使用以太網(wǎng)接口).利用MAX3232將ARM9的兩個(gè)USART收發(fā)器,組成兩個(gè)RS - 232端口和一個(gè)RS - 485端口。

音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS總線接口與外部音頻數(shù)字信號編碼器芯片(UDA1341TS)組成。

視頻接口采用中芯微的DSP芯片,將視頻信號轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進(jìn)制圖像流,經(jīng)處理后送LCD屏顯示。

ARM及ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計(jì)

2.2.2 能家居控制器中的Zigbee模塊

ZigBee模塊采用全功能設(shè)備(FFD)類型,它在智能家居系統(tǒng)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色,可提供信息的雙向傳輸,以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡功能設(shè)備(RFD)。

此模塊利用Chipcon公司的CC2430芯片,CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU (8051),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ,還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、AES - 128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路,以及21個(gè)可編程I/O引腳。

CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產(chǎn),工作時(shí)的電流損耗為27mA ;在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

CC2430帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口,通過此通信接口中的一個(gè),S3C2410X處理器可以對CC2430進(jìn)行寫入或讀取配置信息,也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

CC2430芯片集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能,減少了程序員編程的工作量,加快了通信的速度,減少了能量消耗。同時(shí),芯片還采用了CS2MA - CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競爭和沖突,減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗,其使用壽命可以年來計(jì)算,價(jià)格便宜,符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。

控制器通過RS - 232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息。

2.3 能家居控制器的功能

智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng),通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux,ARM系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee模塊組成一個(gè)整體,構(gòu)成了一個(gè)功能齊全的嵌入式系統(tǒng),利用ZigBee技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點(diǎn)的無線連接。

智能家居控制器的功能為

(1)采用ARM架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器和開源的嵌入式linux操作系統(tǒng);

(2)是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心,也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺的網(wǎng)關(guān);

(3)遇盜搶或疾病,按緊急按鈕,自動(dòng)向管理中心報(bào)警;

(4)以家庭為單位配置,利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù);

(5)利用ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)(火災(zāi)、煤氣泄漏等),并自動(dòng)通過手機(jī)模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心;

(6)通過以太網(wǎng)(或RS - 485)與小區(qū)管理中心通信;

(7)通過控制器上的無線ZigBee模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊,對多種家電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制;

(8)用戶可通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并將各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;對故障報(bào)警優(yōu)先處理,通過手機(jī)模塊自動(dòng)發(fā)送短信息到用戶手機(jī)或小區(qū)物管,并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫,以便對各種信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析和統(tǒng)計(jì)。在這里數(shù)據(jù)庫成為了連接前后臺的中間件,存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地LCD顯示,同時(shí)接收瀏覽器和本地鍵盤輸入,由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運(yùn)行狀態(tài)的上傳;同時(shí)數(shù)據(jù)庫還需實(shí)現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計(jì)和查詢。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite以滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。

控制器的軟件主要分為4個(gè)模塊:與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報(bào)警程序、本地的人機(jī)交互程序和遠(yuǎn)程控制程序。為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò),需要在控制器(數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān))上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進(jìn)行通信,并通過CGI接口調(diào)用后臺CGI程序。CGI程序在Web服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系,調(diào)用具體的控制程序,實(shí)現(xiàn)對智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的指定操作。它監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),隨時(shí)隨地都能知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的,使用戶可以隨時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)的狀況,如設(shè)備的加入退出、設(shè)備故障等等。

3 結(jié)語

ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。智能家居控制器硬件由先進(jìn)的ARM9嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee模塊組成;操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux,家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),安全性好,系統(tǒng)功能完善,能夠適應(yīng)今后智能家居發(fā)展的需要。

   來源:維庫

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