《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2010年第20期
陳龍濤,羅桂娥,周 衛(wèi),唐瑋圣
(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙410083)
摘要: 分析了現(xiàn)代智能家居的特點(diǎn),重點(diǎn)剖析了ZigBee技術(shù)及其協(xié)議,提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的組成、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主控制器以及ZigBee無線通信節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求,具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。
Abstract:
Key words :

摘  要: 分析了現(xiàn)代智能家居的特點(diǎn),重點(diǎn)剖析了ZigBee技術(shù)及其協(xié)議,提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的組成、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主控制器以及ZigBee無線通信節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求,具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞: 智能家居;ZigBee協(xié)議;無線網(wǎng)狀組網(wǎng)BOA服務(wù)器;CC2430

    “智能家居”通常是指以住宅為平臺,兼?zhèn)浼彝プ詣踊?、家庭網(wǎng)絡(luò)、信息家電,集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力自動化技術(shù),將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理。
    有線網(wǎng)絡(luò)存在著布線困難、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn),隨著現(xiàn)代短距離無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展,在智能家居系統(tǒng)中采用無線組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢。目前比較常用的短距離無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、Wi-Fi、UWB、紅外技術(shù)(IrDA)、ZigBee、射頻識別技術(shù)(RFID)等。與其他無線通信技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是[1]:(1)低成本:每塊ZigBee芯片的價(jià)格大約為2美元,且Zigbee協(xié)議免專利費(fèi);(2)低功耗:在待機(jī)模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月;(3)低速率:數(shù)據(jù)傳輸速率只有 20 kb/s~250 kb/s;(4)近距離:單個(gè)設(shè)備的有效覆蓋范圍在10 m~75 m之間,具體取決于實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式;(5)短時(shí)延:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很短。典型的設(shè)備搜索時(shí)延為30 ms,休眠激活時(shí)延為15 ms,活動設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms;(6)高可靠:采取碰撞避免機(jī)制,避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突;(7)網(wǎng)絡(luò)容量大,組網(wǎng)靈活:支持多種組網(wǎng)方式和大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可容納大約65 000個(gè)設(shè)備;(8)高安全:提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,提供三級安全性,采用AES-128加密算法,同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性;(9)工作頻段靈活:使用頻段為2.4 GHz、915 MHz(美國)及868 MHz(歐洲),均為免執(zhí)照頻段。
    智能家居網(wǎng)絡(luò)中的各類安防報(bào)警、傳感、抄表數(shù)據(jù)、燈光、門禁及家電開關(guān)控制信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小,無需太大的傳輸速率,但要求容量大、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、功耗低。智能家居系統(tǒng)若要在未來普及,發(fā)展趨勢是低成本、安裝簡便、使用方便、可擴(kuò)展性好、自組織以及嵌入式應(yīng)用。綜合這些特點(diǎn),ZigBee技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能家居比較合適的選擇。
1 ZigBee協(xié)議
    ZigBee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù),其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個(gè)簡化標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議[2]包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層、應(yīng)用層及高級應(yīng)用層規(guī)范。IEEE 802.15.4[3]定義了最下面的兩層:物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和用戶自定義的應(yīng)用服務(wù)。與其他的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比,ZigBee協(xié)議組件簡單緊湊,對某種具體實(shí)現(xiàn)的要求很低,實(shí)現(xiàn)相對容易。
    ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù),并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路提供服務(wù)。下面的層為上面的層執(zhí)行一組特定的服務(wù):數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),管理實(shí)體提供管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)SAP為上層提供一個(gè)接口,每個(gè)SAP支持多種服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)要求的功能。
2 基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)技術(shù)
2.1 ZigBee設(shè)備
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通??梢詣澐譃閮煞N類型[4],一種是全功能器件(FFD),它可以承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能,可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信;另一種是簡化功能器件(RFD),它不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者,只能與FFD通信,兩個(gè)RFD之間不能直接通信。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)定義了三種功能設(shè)備:網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)、網(wǎng)絡(luò)路由器(Router)和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(End Device)。前兩種都是FFD,后一種是RFD。
2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    ZigBee支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]:星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)FFD作為Coordinator實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立和協(xié)調(diào)功能。
    考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況:設(shè)備可能分布在不同的房間,家具墻壁等障礙因素會使每個(gè)設(shè)備的通信范圍減小的同時(shí)增大干擾;網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有可擴(kuò)展性,應(yīng)該可以通過增加路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍;網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有一定的可靠性和健壯性,不能由于少數(shù)設(shè)備的崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)失效,盡量保證每次通信的成功。基于以上考慮,本智能家居系統(tǒng)選擇了網(wǎng)型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由
    ZigBee執(zhí)行用于AODV專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,簡化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點(diǎn)要向任何一個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包,只需簡單地將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父設(shè)備,由它的父設(shè)備以自己的名義執(zhí)行路由。同樣地,任何一個(gè)設(shè)備要給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)起路由尋找,終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)都以其自身名義回應(yīng)。
3 基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)以ARM9為主控制器(家庭服務(wù)器),由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、多路傳感器節(jié)點(diǎn)、多路家電控制節(jié)點(diǎn)組成,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度、光照條件等狀態(tài)通過ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)由紅外遙控解碼和其他控制部分組成,根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的指令控制相應(yīng)的家用電器工作。協(xié)調(diào)器在程序設(shè)立的信道上建立PAN網(wǎng)絡(luò),并通過串口把各傳感器狀態(tài)顯示在主控制器的LCD上。

3.2 智能家居主控制器的功能
    智能家居主控制器接收由協(xié)調(diào)器傳輸來的各類傳感器返回的狀態(tài)信息,通過事先由用戶設(shè)定好的各個(gè)指標(biāo)(溫度、濕度、光照條件等)的閾值進(jìn)行綜合智能判斷,采取對應(yīng)的控制措施發(fā)出各類家電控制指令。同時(shí)通過在μClinux操作系統(tǒng)里架設(shè)基于WEB的BOA服務(wù)器,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC的Http訪問,主控制器將各種傳感器和家電信息通過BOA服務(wù)器反饋給遠(yuǎn)程PC,主控制器也可以通過BOA服務(wù)器將遠(yuǎn)程PC發(fā)送的各類控制信息傳遞給協(xié)調(diào)器。
    智能家居主控制器以ARM9內(nèi)核的Samsung S3C2410為核心,外擴(kuò)網(wǎng)卡、LCD、SDRAM、Flash等模塊。軟件方面,主控制器的軟件開發(fā)工作包括μClinux的移植、底層驅(qū)動程序的開發(fā)、開源BOA服務(wù)器的配置、嵌入式OS上的應(yīng)用程序開發(fā)。
3.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)
    Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)在此系統(tǒng)中有兩個(gè)模塊:FFD與RFD。其中RFD由傳感器模塊(家電控制模塊)、處理器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊4部分組成。傳感器模塊和家電控制模塊在每個(gè)RFD中只出現(xiàn)一種,取決于此RFD的用途是用于數(shù)據(jù)采集還是家電控制。兩種用途的RFD數(shù)量也可靈活配置,有利于節(jié)省成本。傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等各類傳感器以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。家電控制模塊包括紅外遙控解碼和其他控制部分,負(fù)責(zé)接收和解析從主控制器發(fā)來的控制命令,同時(shí)采取相應(yīng)的措施控制家電運(yùn)作。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。由于有先進(jìn)的SoC技術(shù),故本設(shè)計(jì)采用集微處理器和RF收發(fā)芯片一體的SoC芯片CC2430
    CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。電源管理模塊選通所用到的傳感器,節(jié)點(diǎn)電源由兩節(jié)1.5 V堿性電池組成,采用LM1117穩(wěn)壓芯片,未來趨勢將采用微型紐扣電池應(yīng)用到終端節(jié)點(diǎn)上,以進(jìn)一步減小節(jié)點(diǎn)體積,便于安裝。FFD與RFD相比,缺少了傳感器模塊和家電控制模塊,同時(shí)增加了控制器的RAM和ROM容量以及主頻,主要用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和路由。
3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)方面,Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中既充當(dāng)RFD的角色,又充當(dāng)FFD的角色,RFD與FFD的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。


    本文根據(jù)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的要求,提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的總體構(gòu)架以及軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。采用ARM9芯片為主控制器,通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的通信,使家庭網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備形成一個(gè)整體的智能家居控制體系,而非單一的變量控制體系。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求,具有成本低、功耗低、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn),是一種有效的解決方案。
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