摘  要： 分析了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和家庭網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，介紹了一種利用ZigBee技術(shù)無(wú)線組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了ZigBee的組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　關(guān)鍵詞： 智能家居；ZigBee；組網(wǎng)

　　作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，智能家居是信息領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。智能家居利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭中的通信設(shè)備、電器的信息交換和控制。同時(shí)可以通過(guò)傳感器的應(yīng)用來(lái)采集和傳輸居住環(huán)境的溫度、濕度等。在特殊情況下可以實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)之間的信息自發(fā)傳輸和控制。人們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程觀測(cè)和控制居住環(huán)境的溫度、濕度、電器狀態(tài)。盡管智能家居的概念出現(xiàn)了很多年，但受制于通信技術(shù)和應(yīng)用方面的發(fā)展緩慢，智能家居的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)規(guī)模一直沒(méi)有突破。隨著ZigBee無(wú)線通信的發(fā)展，智能家居不再受控于傳統(tǒng)布線和標(biāo)準(zhǔn)不一的限制，在未來(lái)不久會(huì)加速走進(jìn)人們的生活。ZigBee無(wú)線模塊可以安裝在照明設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、遙控裝置上實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭電器的控制。同時(shí)ZigBee還可以通過(guò)終端設(shè)備采集居住環(huán)境的各種信息并上傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)居住環(huán)境的監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)居住環(huán)境的信息設(shè)定閾值，可以對(duì)家庭電器實(shí)現(xiàn)自發(fā)控制?；赯igBee的智能家居提供了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、安全化的居住環(huán)境。

1 ZigBee技術(shù)概述及其特點(diǎn)

　　1.1 ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee技術(shù)是基于這個(gè)協(xié)議的短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)[1]。ZigBee的協(xié)議分為兩部分：IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問(wèn)層）的技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK(網(wǎng)絡(luò)層)、APS（應(yīng)用程序支持子層）、APL（應(yīng)用層）的技術(shù)規(guī)范[2]。ZigBee協(xié)議將各個(gè)層的定義集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，為用戶(hù)提供API調(diào)用。

　　1.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

　　ZigBee采用無(wú)線連接的方式，可以工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3個(gè)頻段上，最高傳輸速率可以達(dá)到250 kb/s[1]，它的傳輸距離在110 m的范圍內(nèi),但通過(guò)組網(wǎng)方式可以繼續(xù)增加距離。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)最多可以和65 000個(gè)無(wú)線模塊組網(wǎng)，這對(duì)于智能家居控制節(jié)點(diǎn)的范圍來(lái)說(shuō)是足夠的。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具有功耗低、可靠性高、組網(wǎng)功能強(qiáng)大、安全性高的特點(diǎn)。

　　ZigBee主要適合應(yīng)用在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。它可以嵌入各種設(shè)備[3]，在智能家居中實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)的無(wú)線組網(wǎng)，避免了智能家居采用傳統(tǒng)布線所帶來(lái)的問(wèn)題，使智能家居的實(shí)用化和規(guī)范化成為可能。

2 基于ZigBee智能家居設(shè)計(jì)方案

　　2.1 傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)

　　國(guó)外最早開(kāi)始研究智能家居始于20世紀(jì)70年代，第一個(gè)智能家居的實(shí)現(xiàn)是美國(guó)對(duì)一座舊體大樓進(jìn)行改造，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)照明系統(tǒng)和電梯的控制。我國(guó)的智能家居研究起步比較晚，迄今為止也就8～9年的時(shí)間。傳統(tǒng)的智能家居采用有線的方式，不僅要求專(zhuān)業(yè)人員施工、專(zhuān)門(mén)公司維護(hù)，而且施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、維護(hù)維修難、系統(tǒng)靈活性差、擴(kuò)展能力低，智能家居系統(tǒng)建成之后用戶(hù)根本無(wú)法更新升級(jí)。

　　2.2 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，中央控制系統(tǒng)（Cortex A8）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)控制智能燈光模塊、智能溫度模塊、智能煙霧模塊、智能RFID模塊、智能報(bào)警模塊（蜂鳴器，未畫(huà)在框圖中）等多個(gè)功能模塊。在中央控制單元可以通過(guò)Qt界面實(shí)時(shí)顯示智能家居內(nèi)部各模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)，如溫度、LED燈亮滅、煙霧狀態(tài)等。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite保存LED燈、溫度、煙霧等狀態(tài)信息以及RFID門(mén)禁記錄。遠(yuǎn)程客戶(hù)端可以通過(guò)應(yīng)用Web/CGI形式通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)查詢(xún)智能家居內(nèi)部信息（LED燈、溫度、煙霧等），也可以把家居內(nèi)部信息定時(shí)上報(bào)給手機(jī)客戶(hù)端。

　　2.2.1 家庭網(wǎng)絡(luò)

　　家庭網(wǎng)絡(luò)通過(guò)1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和4個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)方式連接。4個(gè)節(jié)點(diǎn)將采集到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器，節(jié)點(diǎn)之間不相互通信。每個(gè)ZigBee對(duì)應(yīng)一個(gè)16位的短地址，ZigBee可以根據(jù)地址來(lái)確定是哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的信息。同時(shí)協(xié)調(diào)器可以將發(fā)過(guò)來(lái)的信息通過(guò)串口傳輸給中央控制系統(tǒng)；反過(guò)來(lái)中央控制系統(tǒng)也可以通過(guò)串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)街付ǖ墓?jié)點(diǎn)從而控制相應(yīng)的電器（如LED燈）。

　　2.2.2 家庭網(wǎng)關(guān)

　　家庭網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信是通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程觀測(cè)和控制，主要考慮通過(guò)Internet和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入。實(shí)際上本系統(tǒng)主要采用ARM芯片和外圍模塊充當(dāng)網(wǎng)關(guān)。通過(guò)移植uboot→移植Linux內(nèi)核→移植Linux根文件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行基本開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建。

　　Web服務(wù)器的搭建可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行BOA移植并簡(jiǎn)單地配置。通過(guò)編寫(xiě)HTML文件和CGI程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器。用戶(hù)通過(guò)瀏覽器地址欄添加訪問(wèn)并回車(chē)觸發(fā)這個(gè)申請(qǐng)，Web服務(wù)器接收到這個(gè)申請(qǐng)并讀取相應(yīng)的HTML文件送回瀏覽器，返回的是控制界面，通過(guò)提交表單調(diào)用CGI程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的控制。

3 ZigBee智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

　　作為智能家居的重要組成部分，ZigBee一方面將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息通過(guò)協(xié)調(diào)器傳送給家庭網(wǎng)關(guān)，從而方便用戶(hù)通過(guò)瀏覽器來(lái)遠(yuǎn)程查看；另一方面，ZigBee協(xié)調(diào)器要能接收到網(wǎng)關(guān)傳輸過(guò)來(lái)的信息并發(fā)送給特定的節(jié)點(diǎn)，從而允許用戶(hù)可以遠(yuǎn)程控制相應(yīng)的電器。

　　3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方案

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為采集節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)（也稱(chēng)協(xié)調(diào)器）。采集節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并發(fā)送命令控制室內(nèi)設(shè)備。

　　節(jié)點(diǎn)采用TI推出的CC2530模塊，其系統(tǒng)框圖如圖2所示，通過(guò)串口與主控節(jié)點(diǎn)通信，所有節(jié)點(diǎn)受主控端節(jié)點(diǎn)控制。

　　主控節(jié)點(diǎn)電路分別由CC2530模塊、復(fù)位鍵、開(kāi)關(guān)鍵、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈、開(kāi)關(guān)指示燈和6個(gè)設(shè)備指示燈組成，底板為雙層玻纖板，采用兩節(jié)5號(hào)電池供電。主控節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

　　3.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)方案

　　ZigBee組網(wǎng)方式有三種，分別是樹(shù)狀、星狀和網(wǎng)狀[4]。每種組網(wǎng)方式都至少需要一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器[5]。本文采用星狀組網(wǎng)方式。需要在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的修改，這里使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型選擇下載到采集節(jié)點(diǎn)或主控節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)如圖4所示，控制節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

　　采集節(jié)點(diǎn)首先從終端讀取信息，數(shù)據(jù)通過(guò)分析之后按照固定的格式傳遞給協(xié)調(diào)器控制節(jié)點(diǎn)?？刂乒?jié)點(diǎn)通過(guò)短地址來(lái)確定接收或發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，將信息傳遞給制定節(jié)點(diǎn)，從而觀測(cè)或者控制相應(yīng)設(shè)備。同時(shí)可以通過(guò)設(shè)定極限值，以對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。通過(guò)瀏覽器可以看到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，如圖6所示。

　　使用ZigBee模塊建立家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將信息的感知采集和傳輸通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行，解決了傳統(tǒng)布線帶來(lái)的不可升級(jí)和更新的問(wèn)題。ZigBee強(qiáng)大的組網(wǎng)功能使得家庭網(wǎng)絡(luò)的覆蓋密度大，特別適用于采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多的居住環(huán)境。同時(shí)通過(guò)設(shè)定極限值，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間自發(fā)控制。

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