摘  要： 分析了ZigBee無線通信技術和家庭網(wǎng)絡的特點，介紹了一種利用ZigBee技術無線組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，重點闡述了ZigBee的組網(wǎng)方式、節(jié)點之間自動控制的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　關鍵詞： 智能家居；ZigBee；組網(wǎng)

　　作為物聯(lián)網(wǎng)的應用，智能家居是信息領域的關注熱點。智能家居利用傳感器技術、計算機技術和通信技術等實現(xiàn)對家庭中的通信設備、電器的信息交換和控制。同時可以通過傳感器的應用來采集和傳輸居住環(huán)境的溫度、濕度等。在特殊情況下可以實現(xiàn)控制節(jié)點之間的信息自發(fā)傳輸和控制。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程觀測和控制居住環(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，但受制于通信技術和應用方面的發(fā)展緩慢，智能家居的實用化和產(chǎn)業(yè)規(guī)模一直沒有突破。隨著ZigBee無線通信的發(fā)展，智能家居不再受控于傳統(tǒng)布線和標準不一的限制，在未來不久會加速走進人們的生活。ZigBee無線模塊可以安裝在照明設備、空調系統(tǒng)、遙控裝置上實現(xiàn)對家庭電器的控制。同時ZigBee還可以通過終端設備采集居住環(huán)境的各種信息并上傳到服務器，實現(xiàn)對居住環(huán)境的監(jiān)測。通過對居住環(huán)境的信息設定閾值，可以對家庭電器實現(xiàn)自發(fā)控制?；赯igBee的智能家居提供了網(wǎng)絡化、智能化、安全化的居住環(huán)境。

1 ZigBee技術概述及其特點

　　1.1 ZigBee技術概述

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗的個域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee技術是基于這個協(xié)議的短距離、低功耗的無線通信技術[1]。ZigBee的協(xié)議分為兩部分：IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質訪問層）的技術規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK(網(wǎng)絡層)、APS（應用程序支持子層）、APL（應用層）的技術規(guī)范[2]。ZigBee協(xié)議將各個層的定義集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，為用戶提供API調用。

　　1.2 ZigBee技術的特點

　　ZigBee采用無線連接的方式，可以工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3個頻段上，最高傳輸速率可以達到250 kb/s[1]，它的傳輸距離在110 m的范圍內,但通過組網(wǎng)方式可以繼續(xù)增加距離。每個ZigBee節(jié)點最多可以和65 000個無線模塊組網(wǎng)，這對于智能家居控制節(jié)點的范圍來說是足夠的。作為一種無線通信技術，ZigBee具有功耗低、可靠性高、組網(wǎng)功能強大、安全性高的特點。

　　ZigBee主要適合應用在自動控制和遠程控制領域。它可以嵌入各種設備[3]，在智能家居中實現(xiàn)控制節(jié)點的無線組網(wǎng)，避免了智能家居采用傳統(tǒng)布線所帶來的問題，使智能家居的實用化和規(guī)范化成為可能。

2 基于ZigBee智能家居設計方案

　　2.1 傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)

　　國外最早開始研究智能家居始于20世紀70年代，第一個智能家居的實現(xiàn)是美國對一座舊體大樓進行改造，通過計算機實現(xiàn)了對照明系統(tǒng)和電梯的控制。我國的智能家居研究起步比較晚，迄今為止也就8～9年的時間。傳統(tǒng)的智能家居采用有線的方式，不僅要求專業(yè)人員施工、專門公司維護，而且施工周期長、費用高、維護維修難、系統(tǒng)靈活性差、擴展能力低，智能家居系統(tǒng)建成之后用戶根本無法更新升級。

　　2.2 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計方案

　　基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)結構如圖1所示，中央控制系統(tǒng)（Cortex A8）通過無線網(wǎng)絡(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、智能報警模塊（蜂鳴器，未畫在框圖中）等多個功能模塊。在中央控制單元可以通過Qt界面實時顯示智能家居內部各模塊實時狀態(tài)，如溫度、LED燈亮滅、煙霧狀態(tài)等。嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite保存LED燈、溫度、煙霧等狀態(tài)信息以及RFID門禁記錄。遠程客戶端可以通過應用Web/CGI形式通過瀏覽器實時查詢智能家居內部信息（LED燈、溫度、煙霧等），也可以把家居內部信息定時上報給手機客戶端。

　　2.2.1 家庭網(wǎng)絡

　　家庭網(wǎng)絡通過1個ZigBee協(xié)調器和4個ZigBee節(jié)點通過無線組網(wǎng)方式連接。4個節(jié)點將采集到的信息轉發(fā)給ZigBee協(xié)調器，節(jié)點之間不相互通信。每個ZigBee對應一個16位的短地址，ZigBee可以根據(jù)地址來確定是哪一個節(jié)點傳輸過來的信息。同時協(xié)調器可以將發(fā)過來的信息通過串口傳輸給中央控制系統(tǒng)；反過來中央控制系統(tǒng)也可以通過串口給協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會傳輸?shù)街付ǖ墓?jié)點從而控制相應的電器（如LED燈）。

　　2.2.2 家庭網(wǎng)關

　　家庭網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的通信是通過家庭網(wǎng)關來實現(xiàn)的，從而實現(xiàn)了遠程觀測和控制，主要考慮通過Internet和手機網(wǎng)絡接入。實際上本系統(tǒng)主要采用ARM芯片和外圍模塊充當網(wǎng)關。通過移植uboot→移植Linux內核→移植Linux根文件系統(tǒng)來進行基本開發(fā)環(huán)境的搭建。

　　Web服務器的搭建可以在此基礎上進行BOA移植并簡單地配置。通過編寫HTML文件和CGI程序實現(xiàn)遠程訪問服務器。用戶通過瀏覽器地址欄添加訪問并回車觸發(fā)這個申請，Web服務器接收到這個申請并讀取相應的HTML文件送回瀏覽器，返回的是控制界面，通過提交表單調用CGI程序來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢和相應節(jié)點的控制。

3 ZigBee智能家居無線網(wǎng)絡設計方案

　　作為智能家居的重要組成部分，ZigBee一方面將各個節(jié)點的信息通過協(xié)調器傳送給家庭網(wǎng)關，從而方便用戶通過瀏覽器來遠程查看；另一方面，ZigBee協(xié)調器要能接收到網(wǎng)關傳輸過來的信息并發(fā)送給特定的節(jié)點，從而允許用戶可以遠程控制相應的電器。

　　3.1 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計方案

　　網(wǎng)絡節(jié)點分為采集節(jié)點和主控節(jié)點（也稱協(xié)調器）。采集節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主控節(jié)點。主控節(jié)點接收采集節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)送命令控制室內設備。

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

　　主控節(jié)點電路分別由CC2530模塊、復位鍵、開關鍵、一個標準串口、網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈、開關指示燈和6個設備指示燈組成，底板為雙層玻纖板，采用兩節(jié)5號電池供電。主控節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

　　3.2 ZigBee無線網(wǎng)絡軟件設計方案

　　ZigBee組網(wǎng)方式有三種，分別是樹狀、星狀和網(wǎng)狀[4]。每種組網(wǎng)方式都至少需要一個ZigBee協(xié)調器[5]。本文采用星狀組網(wǎng)方式。需要在ZigBee協(xié)議棧的應用層進行相應的修改，這里使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧，然后根據(jù)節(jié)點的類型選擇下載到采集節(jié)點或主控節(jié)點。采集節(jié)點的軟件設計如圖4所示，控制節(jié)點如圖5所示。

　　采集節(jié)點首先從終端讀取信息，數(shù)據(jù)通過分析之后按照固定的格式傳遞給協(xié)調器控制節(jié)點?？刂乒?jié)點通過短地址來確定接收或發(fā)送的節(jié)點，將信息傳遞給制定節(jié)點，從而觀測或者控制相應設備。同時可以通過設定極限值，以對相應設備進行自動控制。通過瀏覽器可以看到各個節(jié)點的信息，如圖6所示。

　　使用ZigBee模塊建立家庭無線網(wǎng)絡，將信息的感知采集和傳輸通過無線網(wǎng)絡來進行，解決了傳統(tǒng)布線帶來的不可升級和更新的問題。ZigBee強大的組網(wǎng)功能使得家庭網(wǎng)絡的覆蓋密度大，特別適用于采集節(jié)點數(shù)目比較多的居住環(huán)境。同時通過設定極限值，可以實現(xiàn)節(jié)點之間自發(fā)控制。

　　參考文獻

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　　[2] 蔣承延，吳思遠，陳偉.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23（13）：199-201.

　　[3] 黃磊.基于ZigBee技術的智能家居方案研究[J].嵌入式網(wǎng)絡技術應用，2009(5)：71-73.

　　[4] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

　　[5] 金純，羅祖秋.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.