摘要:文章對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì),比較了各種不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù),提出了用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)方案中對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件組成以及軟件協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行了分析和探討。
關(guān)鍵詞:智能家居;ZigBee;網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器
中圖分類號(hào):TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-9599 (2010) 03-0008-02
ZigBee Technology of Wireless Smart Home System
Research and Design
Zeng Jieqiong,Kong Qingyan
(Technology of South China University,Mechanic and Automobile College,Guangzhou510640,China)
Abstract: The article on smart home system is studied and designed to compare a variety of implementation techniques proposed smart home using ZigBee technology system design, design on topology, hardware and software implementation of such agreement analyzed and discussed.
Keywords: Smart home; Zigbee; Network coordinator
近年來(lái),中國(guó)政府提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)將廣泛用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、智能家居、老人護(hù)理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。而ZigBee技術(shù)將是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的得力技術(shù),其在智能家居方面也正在獲得使用。ZigBee模塊可安裝在電視機(jī)、電燈、煤氣爐、空調(diào)器、門禁系統(tǒng)、遙控器、微波爐和其它家電產(chǎn)品中,采集這些設(shè)備中的信息,并實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的照明、溫/濕度、安全和電氣智能控制。
一、ZigBee技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)
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、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,所以它們的通信效率非常高。目前,短距離無(wú)線通信協(xié)議有多種,其技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比如表1所示。可見(jiàn),和其它技術(shù)相比,ZigBee有明顯的優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的優(yōu)秀選擇。
二、基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
ZigBee路由節(jié)點(diǎn)可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā),通過(guò)連接別的節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(ZigBee EndDevice,ZE)可以是FFD或者RFD,它通過(guò)ZigBee協(xié)凋點(diǎn)或者ZigBee路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò),但不允許其他任何節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò),ZigBee終端節(jié)點(diǎn)能夠以非常低的功率運(yùn)行[1]。
(一)智能家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
一般的智能家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示,可以看出,系統(tǒng)大致由安防系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、信息管理平臺(tái)及遠(yuǎn)程終端等部分構(gòu)成。圖中每一種設(shè)備都嵌入了一個(gè)RFD類型的傳感器,圖中的路由器節(jié)點(diǎn)又可稱之為匯聚節(jié)點(diǎn)[2]。
(二)ZigBee通信模塊硬件設(shè)計(jì)
采用CC2430芯片是比較好的選擇,它是最早推出實(shí)現(xiàn)了嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),CC2430芯片作為本系統(tǒng)的ZigBee模塊基礎(chǔ)部分,在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器,以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間超短,特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
CC2430片上集成的溫度傳感器;無(wú)線燈控、空調(diào)開(kāi)關(guān)、熱水器都由單一的IO口P1.3控制,模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作;紅外傳感器采用熱釋放紅外線傳感技術(shù),燃?xì)鈭?bào)警采用催化式可燃?xì)怏w傳感器[2]。
(三)ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)
不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是不相同的,匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)因其完成的功能不太一樣,其程序流程也不盡相同。對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn),一旦節(jié)點(diǎn)開(kāi)始正常工作,首先要進(jìn)行芯片的初始化、輸入輸出端口的初始化、協(xié)議棧的初始化、啟用中斷等一系列初始化工作;作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,匯聚節(jié)點(diǎn)要建立起一個(gè)新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)組建成功之后,節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入無(wú)線監(jiān)控狀態(tài),對(duì)空氣中是否存在無(wú)線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,如果所監(jiān)聽(tīng)到的信號(hào)是終端節(jié)點(diǎn)要求加入到該網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信號(hào),則給發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)回復(fù)信息,然后將該終端節(jié)點(diǎn)加入所管轄的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),并分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。如果所收到的信號(hào)是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),則在給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)之后,就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和處理,并在規(guī)定的時(shí)間之后將各終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)給傳輸出去[3]。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)了部ZigBee協(xié)議的終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),節(jié)點(diǎn)上電后,首先要進(jìn)行初始化,初始化所完成的工作類似與上面的匯聚節(jié)點(diǎn),然后終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始不斷的發(fā)出請(qǐng)求信號(hào),要求加入到某個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)所創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò),只要終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò),就停止發(fā)送請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文,并得到一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)分配給它的網(wǎng)絡(luò)地址,之后節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入到了一種空閑狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)會(huì)定期地從空閑狀態(tài)中醒來(lái),對(duì)相關(guān)的環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),將其監(jiān)測(cè)過(guò)程中所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送給與其相聯(lián)的匯聚節(jié)點(diǎn),如果收到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的確認(rèn)信息,則表明數(shù)據(jù)發(fā)送成功,之后終端節(jié)點(diǎn)將再次進(jìn)入空閑狀態(tài),在睡眠模式中等待,一直到再次被喚醒并進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集。若數(shù)據(jù)發(fā)送不成功,節(jié)點(diǎn)會(huì)再次采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn),直到發(fā)送成功為止[4]。
三、結(jié)束語(yǔ)
和其它短距離通信技術(shù)比較,ZigBee技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì),其近距離、低成本、低功耗、低速率等特點(diǎn)更加適合于家庭組網(wǎng)的特點(diǎn)。本文提出了一套用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,其成功應(yīng)用有望使Zigbee技術(shù)在智能家居方面得到極大發(fā)展。
參考文獻(xiàn):
[1]Zigbee Alliance.The ZigBee RF4CE Specification.
[2]高守瑋,吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009,6
[3]黃磊,付菲閔,華松.基于ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用,2009,25(52):71-73
[4]余冰,趙柯.基于ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009,8:55-56
關(guān)鍵詞:智能家居;ZigBee;網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器
中圖分類號(hào):TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-9599 (2010) 03-0008-02
ZigBee Technology of Wireless Smart Home System
Research and Design
Zeng Jieqiong,Kong Qingyan
(Technology of South China University,Mechanic and Automobile College,Guangzhou510640,China)
Abstract: The article on smart home system is studied and designed to compare a variety of implementation techniques proposed smart home using ZigBee technology system design, design on topology, hardware and software implementation of such agreement analyzed and discussed.
Keywords: Smart home; Zigbee; Network coordinator
近年來(lái),中國(guó)政府提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)將廣泛用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、智能家居、老人護(hù)理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。而ZigBee技術(shù)將是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的得力技術(shù),其在智能家居方面也正在獲得使用。ZigBee模塊可安裝在電視機(jī)、電燈、煤氣爐、空調(diào)器、門禁系統(tǒng)、遙控器、微波爐和其它家電產(chǎn)品中,采集這些設(shè)備中的信息,并實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的照明、溫/濕度、安全和電氣智能控制。
一、ZigBee技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)
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、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,所以它們的通信效率非常高。目前,短距離無(wú)線通信協(xié)議有多種,其技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比如表1所示。可見(jiàn),和其它技術(shù)相比,ZigBee有明顯的優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的優(yōu)秀選擇。
二、基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
ZigBee路由節(jié)點(diǎn)可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā),通過(guò)連接別的節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(ZigBee EndDevice,ZE)可以是FFD或者RFD,它通過(guò)ZigBee協(xié)凋點(diǎn)或者ZigBee路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò),但不允許其他任何節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò),ZigBee終端節(jié)點(diǎn)能夠以非常低的功率運(yùn)行[1]。
(一)智能家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
一般的智能家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示,可以看出,系統(tǒng)大致由安防系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、信息管理平臺(tái)及遠(yuǎn)程終端等部分構(gòu)成。圖中每一種設(shè)備都嵌入了一個(gè)RFD類型的傳感器,圖中的路由器節(jié)點(diǎn)又可稱之為匯聚節(jié)點(diǎn)[2]。
(二)ZigBee通信模塊硬件設(shè)計(jì)
采用CC2430芯片是比較好的選擇,它是最早推出實(shí)現(xiàn)了嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),CC2430芯片作為本系統(tǒng)的ZigBee模塊基礎(chǔ)部分,在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器,以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間超短,特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
CC2430片上集成的溫度傳感器;無(wú)線燈控、空調(diào)開(kāi)關(guān)、熱水器都由單一的IO口P1.3控制,模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作;紅外傳感器采用熱釋放紅外線傳感技術(shù),燃?xì)鈭?bào)警采用催化式可燃?xì)怏w傳感器[2]。
(三)ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)
不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是不相同的,匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)因其完成的功能不太一樣,其程序流程也不盡相同。對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn),一旦節(jié)點(diǎn)開(kāi)始正常工作,首先要進(jìn)行芯片的初始化、輸入輸出端口的初始化、協(xié)議棧的初始化、啟用中斷等一系列初始化工作;作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,匯聚節(jié)點(diǎn)要建立起一個(gè)新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)組建成功之后,節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入無(wú)線監(jiān)控狀態(tài),對(duì)空氣中是否存在無(wú)線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,如果所監(jiān)聽(tīng)到的信號(hào)是終端節(jié)點(diǎn)要求加入到該網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信號(hào),則給發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)回復(fù)信息,然后將該終端節(jié)點(diǎn)加入所管轄的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),并分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。如果所收到的信號(hào)是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),則在給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)之后,就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和處理,并在規(guī)定的時(shí)間之后將各終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)給傳輸出去[3]。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)了部ZigBee協(xié)議的終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),節(jié)點(diǎn)上電后,首先要進(jìn)行初始化,初始化所完成的工作類似與上面的匯聚節(jié)點(diǎn),然后終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始不斷的發(fā)出請(qǐng)求信號(hào),要求加入到某個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)所創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò),只要終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò),就停止發(fā)送請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文,并得到一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)分配給它的網(wǎng)絡(luò)地址,之后節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入到了一種空閑狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)會(huì)定期地從空閑狀態(tài)中醒來(lái),對(duì)相關(guān)的環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),將其監(jiān)測(cè)過(guò)程中所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送給與其相聯(lián)的匯聚節(jié)點(diǎn),如果收到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的確認(rèn)信息,則表明數(shù)據(jù)發(fā)送成功,之后終端節(jié)點(diǎn)將再次進(jìn)入空閑狀態(tài),在睡眠模式中等待,一直到再次被喚醒并進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集。若數(shù)據(jù)發(fā)送不成功,節(jié)點(diǎn)會(huì)再次采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn),直到發(fā)送成功為止[4]。
三、結(jié)束語(yǔ)
和其它短距離通信技術(shù)比較,ZigBee技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì),其近距離、低成本、低功耗、低速率等特點(diǎn)更加適合于家庭組網(wǎng)的特點(diǎn)。本文提出了一套用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,其成功應(yīng)用有望使Zigbee技術(shù)在智能家居方面得到極大發(fā)展。
參考文獻(xiàn):
[1]Zigbee Alliance.The ZigBee RF4CE Specification.
[2]高守瑋,吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009,6
[3]黃磊,付菲閔,華松.基于ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用,2009,25(52):71-73
[4]余冰,趙柯.基于ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009,8:55-56
