摘  要： 將嵌入式技術(shù)與ZigBee無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)接入家庭和具有遠(yuǎn)程控制功能的低成本、低功耗的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)Internet和GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)直接訪問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)而控制家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了家電控制及監(jiān)控等智能化控制。
關(guān)鍵詞： ZigBee；家庭網(wǎng)關(guān)；ARM；傳感器

　ZigBee是一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，它具有短距離、低功耗、低成本和低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)。而智能家居的特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小，對(duì)帶寬要求低，但是需要的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性好，延遲要短，要求接入方便，系統(tǒng)續(xù)航能力久、可擴(kuò)展性強(qiáng)并且后期維護(hù)簡(jiǎn)單。這無(wú)疑使ZigBee技術(shù)成為了首選，因?yàn)閆igBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是工業(yè)控制、電子設(shè)備和樓宇自動(dòng)化等，它的特點(diǎn)決定了ZigBee技術(shù)能很好地滿足智能家居系統(tǒng)的需求。
1 系統(tǒng)總體方案
　智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大致可分為外部網(wǎng)（因特網(wǎng)）、內(nèi)部網(wǎng)（ZigBee自組網(wǎng)）和家庭網(wǎng)關(guān)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是核心部分，本系統(tǒng)以移植在tiny6410開發(fā)板上的Boa服務(wù)器作為家庭網(wǎng)關(guān)，它負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。下面介紹內(nèi)部網(wǎng)，這里的內(nèi)部網(wǎng)就是ZigBee自組網(wǎng)，根據(jù)家庭布局采用樹狀或者星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee自組網(wǎng)包括各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)配合繼電器控制家庭中各種電器開關(guān)、溫濕度傳感器等家庭中需要被監(jiān)控的設(shè)備對(duì)象，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。從通信的角度講，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為一個(gè)終端，它們相互間通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信。這里暫不考慮內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。
智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
　本文設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)要處理來(lái)自Internet的數(shù)據(jù)，要求實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件必須提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，同時(shí)需要支持TCP/IP協(xié)議，因此需要操作系統(tǒng)來(lái)支持多任務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)由硬件和軟件共同組成的功能實(shí)體，將Boa服務(wù)器移植到ARM開發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)使用。Boa是一個(gè)單任務(wù)的小型HTTP服務(wù)器，源代碼開放、性能優(yōu)越，特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　Boa服務(wù)器的建立較為簡(jiǎn)單，主要步驟包括：在開發(fā)主機(jī)上對(duì)其進(jìn)行解壓然后交叉編譯，接著配置服務(wù)器，主要是修改boa.conf文件，配置完成后就可以進(jìn)行移植了，移植成功后安裝完畢就可以運(yùn)行Boa服務(wù)器軟件了。在構(gòu)建好的嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行Boa服務(wù)器以及串口讀寫應(yīng)用程序，結(jié)合靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)和動(dòng)態(tài)CGI程序可以讓命令從網(wǎng)頁(yè)下達(dá)到嵌入式服務(wù)器。通過(guò)CGI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器和串口讀寫應(yīng)用程序的調(diào)用，從而達(dá)到數(shù)據(jù)（也就是命令）從網(wǎng)頁(yè)到服務(wù)器再通過(guò)串口寫入ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的這樣一條正向的流程。當(dāng)命令發(fā)送至ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)后，緊接著讀寫應(yīng)用程序讀取ZigBee的反饋數(shù)據(jù)（主要是LED狀態(tài)以及傳感器讀數(shù)），讀取后存入ARM板子里的SQlite數(shù)據(jù)庫(kù)以供稍后的CGI程序調(diào)用并顯示在網(wǎng)頁(yè)上。
3 ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計(jì)
　從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)線自組網(wǎng)是智能家居網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展方向。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、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。其是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。介于智能家居的規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點(diǎn)較多等考量，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇星形結(jié)構(gòu)。
　ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，本節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2430芯片，在單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)MCU（加強(qiáng)型8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含ADC、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器。數(shù)據(jù)采集單元選用一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。
　家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是以IAR System公司的IAR Embedded Work bench為開發(fā)環(huán)境、以TI公司的ZStack協(xié)議棧為開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。ZigBee協(xié)議棧2006基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定，該協(xié)議的突出優(yōu)點(diǎn)是：組網(wǎng)能力強(qiáng)、適應(yīng)面廣、可靠性高、節(jié)能性好。ZStack協(xié)議棧由實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議不同功能的程序文件和庫(kù)函數(shù)組成。
4 ZigBee協(xié)議
　ZigBee協(xié)議是家庭內(nèi)部網(wǎng)的基礎(chǔ)也可以說(shuō)是核心，它的底層是IEEE 802.15.4，包括物理層和MAC層。ZigBee工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段，而真正需要關(guān)心是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是路由，路由算法是它的核心，優(yōu)秀的算法能節(jié)省ZigBee的能源消耗，縮短延遲。網(wǎng)絡(luò)層上面是應(yīng)用層，它主要規(guī)定了一些與應(yīng)用相關(guān)的功能，也就是開發(fā)人員直接打交道的對(duì)象。
　本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧工作流程如圖3所示。

　本文實(shí)現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，即建立嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，其功能齊全，并且可根據(jù)實(shí)際情況和個(gè)人需求增減傳感器以節(jié)約成本，可為任何家庭提供量身訂制的智能家居監(jiān)控服務(wù)。本系統(tǒng)可以根據(jù)家庭環(huán)境的改變隨時(shí)添加設(shè)備節(jié)點(diǎn)，安裝方便，實(shí)現(xiàn)了智能家居的人性化控制。此項(xiàng)技術(shù)將Web技術(shù)與嵌入式技術(shù)結(jié)合并擴(kuò)展，在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)上稍加改動(dòng)即可添加更多功能的傳感器，此項(xiàng)技術(shù)也可以廣泛地運(yùn)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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