【摘要】智能家居系統由主控制器、遙控器和智能終端構成，能夠對燈光、窗簾、家用電器、智能插座等家用設備進行手自動控制。智能家居系統采用低功耗ZigBee無線技術組網，每個智能家居設備都包括一個ZigBee通信模塊負責無線數據的接收與發送。智能家居系統的控制策略包括手動控制，情景模式以及時間程序等。
【關鍵詞】ZigBee；智能家居；無線技術
1.前言
隨著社會經濟的發展，人們對家居生活環境的要求日益提高。智能家居系統結合計算機技術、自動控制技術和網絡通信技術，為家庭生活提供便捷、舒適、安全、節能以及健康等各方面服務，大大提高了生活質量，發展勢頭迅猛。
傳統的智能家居系統采用總線技術產品，在裝修前，要預埋通信管線，工程量大、投資成本高，裝修好的房子則很難再進行改造安裝家居系統，這個缺陷限制了智能家居系統的推廣。采用ZigBee無線技術組網的智能家居系統，不但能夠有效的控制燈光、窗簾、家用電器等設備，而且省去了預埋通信總線的麻煩，大大降低了施工的難度，縮短施工進度、降低成本。
2.方案設計
2.1 ZigBee技術簡介
ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本無線網絡技術，它工作于免執照的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為20～10MKbps，傳輸距離為幾十米到幾百米之間，網絡容量大，可容納65000個設備。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES2128加密算法。智能家居系統的特點是終端數量多，一套家居系統有幾十個甚至上百個點；通信距離短，一般在一套房子的室內外小范圍通信；數據量少，通信數據大部分是控制命令以及一些檢測數據。為此，ZigBee技術非常適合應用在智能家居領域，甚至可以說是為智能家居系統量身定做的。
2.2 總體方案設計
智能家居系統由主控制器和智能終端以及遙控器等構成，智能家居系統結構如圖1所示。
其中，主控制器負責家居系統的組網以及控制策略的執行。主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410，處理器主頻采用533MHZ，計算處理能力強。通過10寸的觸摸屏、音頻模塊和USB鼠標接口等實現人界交互，采用32MSD卡存儲控制系統信息。通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用用手機對智能家居系統進行遠程監控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統，并在此基礎上開發應用軟件。Win-
dowsCE6.0其軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應用。主控制器的結構如圖2所示。
智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關插座以及安防消防設備等，是智能家居系統的控制以及執行設備。智能終端包括一個ZigBee模塊負責無線數據的收發。遙控器包括一塊LCD屏幕作為控制菜單選擇，可以對智能家居系統的各個設備發出控制命令，遙控器平時不操作的時候，采用休眠模式以降低電池功耗。
2.3 控制策略
家居系統的控制策略是其智能性的主要體現，其設計的合理性，直接影響到用戶的舒適體驗。智能家居系統中，共設計了手動控制，情景模式和時間程序三種模式。其中，在手動模式下，家庭智能終端可以通過遙控器以及主控制器的觸摸面板進行直接控制，這樣用戶就可以很方便的對家里的所有智能終端及家用電器進行控制，而無需再用家用電器的其它紅外遙控器，手動模式具有最高優先級，以便在緊急狀態下，用戶能夠直接控制家居設備。在情景模式下，各智能終端按照預先設定的值執行，情景模式包括起床模式、聚餐模式、假日模式以及安防模式等，用戶通過主控制器對情景模式設定值進行配置。也可以通過在主控制器上設置時間程序，來確定某個設備在特定時間的開或關，比如，在早上七點起床時刻，開啟窗簾；下午下班前，先將家里的某些烹煮電器的智能插座上電。通過這三種控制策略，大大提高了智能家居系統的智能化程度。
3.ZigBee通信設計
3.1 ZigBee組網設計
ZigBee網絡分為星型網、樹簇型網、以及網型網三種。根據智能家居系統的特點，采用樹簇型網的方式進行組網，網絡結構如圖3所示。樹簇型網絡中節點類型分為終端器、路由器和協調器三種，其中終端器（End Device）是網絡的終端，只能收發數據不能轉發數據，遙控器以及低功耗設備采用此類節點類型。路由器不但能夠收發數據還能轉發數據，部分通過強電供電的智能終端為此類節點類型（如燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器等）。協調器負責網絡的組網，是整個網絡的中心，主控制器為此類節點類型，一個智能家居網絡中，只有一個主控制器是協調器。為了有效管理網絡，可以通過智能終端上的配置按鈕進行配置，一個智能終端可以任意配置成終端器或者協調器節點類型。采用樹簇型網優點在于讓低功耗設備可以節約電池功耗，設置成終端器的遙控器，平時不發送數據的時候，可以將處理器設置成休眠模式，電池可以用長達一年之久；保證網絡中路由器的數量合理，即能有效的轉發數據，又不會使得路由產生過多的額外開銷。
3.2 ZigBee通信模塊設計
為了方便設備設計，采用模塊化的結構形式，每個智能家居設備都包括一個ZigBee模塊，此模塊負責基于ZigBee網絡的數據通信。模塊采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的Z-Stack協議棧，內部集成了低功耗的8051單片機，外圍包括通用IO口、A/D轉換接口、SPI口、以及串口等，接口資源豐富。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設計。通用接口如4圖所示，通用接口主要包括P0、P1和P2通用IO口，其中P2可以配置成特殊功能口。通用接口可以為家居智能設備的電路設計提供相應的硬件資源，只要再設計一塊功能模塊與ZigBee模塊組合，便可以實現設備的功能。
4.結束語
該智能家居系統實現了對家庭燈光、窗簾、家用電器、插座以及消防安防等的智能化控制，使得家居生活更加便捷、安全、舒適、高效與健康。通過ZigBee低功耗無線技術組網，使得整個系統布線簡單，裝修維護方便，為智能家居系統的推廣提供了有利條件。
參考文獻
[1]Pottie G J.Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Communications of the ACM,2000.43(5):51-58.
[2]彭宇,羅清華,潘大為.ZigBee網絡低功耗節點設計[J].儀器儀表學報,2009,6:588-591.
[3]南忠良,孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程,2010,18(7):
117-119.
[4]閔茹,李靜,王軍.無線傳感器網絡定位技術及應用[J].河南機電高等專科學校學報,2006,14(6):22-23.
[5]王海濤,朱兆優.基于ZigBee的LED節能街燈控制系統[J].東華理工大學學報,2009,
32(2):394-396.
作者簡介：王堅鋒（1983—），男，浙江泰順人，浙江工業職業技術學院電氣工程分院講師，研究方向：樓宇智能化工程技術。
【關鍵詞】ZigBee；智能家居；無線技術
1.前言
隨著社會經濟的發展，人們對家居生活環境的要求日益提高。智能家居系統結合計算機技術、自動控制技術和網絡通信技術，為家庭生活提供便捷、舒適、安全、節能以及健康等各方面服務，大大提高了生活質量，發展勢頭迅猛。
傳統的智能家居系統采用總線技術產品，在裝修前，要預埋通信管線，工程量大、投資成本高，裝修好的房子則很難再進行改造安裝家居系統，這個缺陷限制了智能家居系統的推廣。采用ZigBee無線技術組網的智能家居系統，不但能夠有效的控制燈光、窗簾、家用電器等設備，而且省去了預埋通信總線的麻煩，大大降低了施工的難度，縮短施工進度、降低成本。
2.方案設計
2.1 ZigBee技術簡介
ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本無線網絡技術，它工作于免執照的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為20～10MKbps，傳輸距離為幾十米到幾百米之間，網絡容量大，可容納65000個設備。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES2128加密算法。智能家居系統的特點是終端數量多，一套家居系統有幾十個甚至上百個點；通信距離短，一般在一套房子的室內外小范圍通信；數據量少，通信數據大部分是控制命令以及一些檢測數據。為此，ZigBee技術非常適合應用在智能家居領域，甚至可以說是為智能家居系統量身定做的。
2.2 總體方案設計
智能家居系統由主控制器和智能終端以及遙控器等構成，智能家居系統結構如圖1所示。
其中，主控制器負責家居系統的組網以及控制策略的執行。主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410，處理器主頻采用533MHZ，計算處理能力強。通過10寸的觸摸屏、音頻模塊和USB鼠標接口等實現人界交互，采用32MSD卡存儲控制系統信息。通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用用手機對智能家居系統進行遠程監控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統，并在此基礎上開發應用軟件。Win-
dowsCE6.0其軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應用。主控制器的結構如圖2所示。
智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關插座以及安防消防設備等，是智能家居系統的控制以及執行設備。智能終端包括一個ZigBee模塊負責無線數據的收發。遙控器包括一塊LCD屏幕作為控制菜單選擇，可以對智能家居系統的各個設備發出控制命令，遙控器平時不操作的時候，采用休眠模式以降低電池功耗。
2.3 控制策略
家居系統的控制策略是其智能性的主要體現，其設計的合理性，直接影響到用戶的舒適體驗。智能家居系統中，共設計了手動控制，情景模式和時間程序三種模式。其中，在手動模式下，家庭智能終端可以通過遙控器以及主控制器的觸摸面板進行直接控制，這樣用戶就可以很方便的對家里的所有智能終端及家用電器進行控制，而無需再用家用電器的其它紅外遙控器，手動模式具有最高優先級，以便在緊急狀態下，用戶能夠直接控制家居設備。在情景模式下，各智能終端按照預先設定的值執行，情景模式包括起床模式、聚餐模式、假日模式以及安防模式等，用戶通過主控制器對情景模式設定值進行配置。也可以通過在主控制器上設置時間程序，來確定某個設備在特定時間的開或關，比如，在早上七點起床時刻，開啟窗簾；下午下班前，先將家里的某些烹煮電器的智能插座上電。通過這三種控制策略，大大提高了智能家居系統的智能化程度。
3.ZigBee通信設計
3.1 ZigBee組網設計
ZigBee網絡分為星型網、樹簇型網、以及網型網三種。根據智能家居系統的特點，采用樹簇型網的方式進行組網，網絡結構如圖3所示。樹簇型網絡中節點類型分為終端器、路由器和協調器三種，其中終端器（End Device）是網絡的終端，只能收發數據不能轉發數據，遙控器以及低功耗設備采用此類節點類型。路由器不但能夠收發數據還能轉發數據，部分通過強電供電的智能終端為此類節點類型（如燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器等）。協調器負責網絡的組網，是整個網絡的中心，主控制器為此類節點類型，一個智能家居網絡中，只有一個主控制器是協調器。為了有效管理網絡，可以通過智能終端上的配置按鈕進行配置，一個智能終端可以任意配置成終端器或者協調器節點類型。采用樹簇型網優點在于讓低功耗設備可以節約電池功耗，設置成終端器的遙控器，平時不發送數據的時候，可以將處理器設置成休眠模式，電池可以用長達一年之久；保證網絡中路由器的數量合理，即能有效的轉發數據，又不會使得路由產生過多的額外開銷。
3.2 ZigBee通信模塊設計
為了方便設備設計，采用模塊化的結構形式，每個智能家居設備都包括一個ZigBee模塊，此模塊負責基于ZigBee網絡的數據通信。模塊采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的Z-Stack協議棧，內部集成了低功耗的8051單片機，外圍包括通用IO口、A/D轉換接口、SPI口、以及串口等，接口資源豐富。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設計。通用接口如4圖所示，通用接口主要包括P0、P1和P2通用IO口，其中P2可以配置成特殊功能口。通用接口可以為家居智能設備的電路設計提供相應的硬件資源，只要再設計一塊功能模塊與ZigBee模塊組合，便可以實現設備的功能。
4.結束語
該智能家居系統實現了對家庭燈光、窗簾、家用電器、插座以及消防安防等的智能化控制，使得家居生活更加便捷、安全、舒適、高效與健康。通過ZigBee低功耗無線技術組網，使得整個系統布線簡單，裝修維護方便，為智能家居系統的推廣提供了有利條件。
參考文獻
[1]Pottie G J.Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Communications of the ACM,2000.43(5):51-58.
[2]彭宇,羅清華,潘大為.ZigBee網絡低功耗節點設計[J].儀器儀表學報,2009,6:588-591.
[3]南忠良,孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程,2010,18(7):
117-119.
[4]閔茹,李靜,王軍.無線傳感器網絡定位技術及應用[J].河南機電高等專科學校學報,2006,14(6):22-23.
[5]王海濤,朱兆優.基于ZigBee的LED節能街燈控制系統[J].東華理工大學學報,2009,
32(2):394-396.
作者簡介：王堅鋒（1983—），男，浙江泰順人，浙江工業職業技術學院電氣工程分院講師，研究方向：樓宇智能化工程技術。
