劉傳忠 / 張衛(wèi)東 / 聶 佳

1.上海交通大學(xué)自動化系， 上海 200240

2.上海電器科學(xué)研究院， 上海 200063

1 引言

在物聯(lián)網(wǎng)的大潮下，智能家居得到了蓬勃發(fā)展。但由于智能家居是一個多行業(yè)交叉的系統(tǒng)工程，迄今還沒有一個完全統(tǒng)一的標準，各設(shè)備廠商遵循各自不同的接口標準與協(xié)議生產(chǎn)設(shè)備，使得不同設(shè)備之間的互連、互通變得非常困難。ZigBee作為一種無線的通信技術(shù)，其低功耗、自組網(wǎng)、允許較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、具有較高的可靠性和安全性等特點,特別適用于數(shù)據(jù)通信速率不高的家居自動化場合。目前，大量文獻都對基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)進行了闡述，如文獻[1]介紹了通過ARM平臺實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)；文獻[2]實現(xiàn)室內(nèi)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)到Internet的接入；文獻[3]討論了基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；文獻[4]探討了ZigBee終端設(shè)備低功耗設(shè)計技術(shù)。大多文獻基本上都圍繞著各自系統(tǒng)的私有實現(xiàn)，沒有論及不同廠商的智能家居設(shè)備間的互通、互連問題。

為了保證來自不同廠家設(shè)備的互操作性，針對智能家居系統(tǒng)，ZigBee聯(lián)盟推出了《家庭自動化公共應(yīng)用配置規(guī)約》(ZIGBEE HOME AUTOMATION PUBLIC APPLICATION PROFILE，下 文 簡 稱ZHA)。為了解決上文中提出的問題，本文圍繞著基于ZHA的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)展開說明。

2 ZigBee技術(shù)研究

ZigBee標準由ZigBee聯(lián)盟制定與維護，已經(jīng)推出了多個版本[5]。最新的ZigBee標準稱為ZigBee 2012，提供了完整的無線網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh networking)，在單一的網(wǎng)絡(luò)中最多可支持64 000個設(shè)備。該規(guī)范規(guī)定了2套功能集： ZigBee和ZigBee Pro。ZigBee主要面向單一網(wǎng)絡(luò)中只有數(shù)百個設(shè)備的功能集。ZigBee Pro則對ZigBee功能集進行了增強與優(yōu)化，支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具有更好的安全性，同時還支持通過Green Power功能將能量采集或自供電的設(shè)備接入到ZigBee Pro網(wǎng)絡(luò)中[6]。

2.1 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee聯(lián)盟在低速無線個人局域網(wǎng)標準IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層框架(Framework)，協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示[7]。相臨層之間通過服務(wù)訪問點(SAP)進行信息傳遞，高層使用底層所提供的服務(wù)。

從圖1可以看出，應(yīng)用層由制造商定義的應(yīng)用對象所在的應(yīng)用框架(Application Framework)，ZDO(包括ZDO管理域)和應(yīng)用支持子層構(gòu)成。設(shè)備生產(chǎn)商定義的應(yīng)用對象使用框架和ZDO共享APS及安全服務(wù)。在ZigBee應(yīng)用框架中，制造商最多可以定義240個應(yīng)用對象來實現(xiàn)各自特定的功能。

2.2 ZHA配置規(guī)約

ZHA涵蓋了民用或輕型商用環(huán)境中家居自動化應(yīng)用(網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在500點以內(nèi))，包括照明、暖通空調(diào)、窗簾遮陽傘及安防等應(yīng)用[9]。為了保證互操作性和良好的用戶體驗，ZHA規(guī)定了設(shè)備啟動屬性集，包括：啟動參數(shù)、加入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、安全參數(shù)、終端設(shè)備參數(shù)、鏈路狀態(tài)參數(shù)、集中器參數(shù)、APS傳輸參數(shù)及綁定參數(shù)等。

ZHA使用ZigBee聯(lián)盟制定的ZigBee簇庫(ZCL)、功能簇(Cluster)是一系列相關(guān)的屬性和命令的集合，通過客戶端/服務(wù)器模型為設(shè)備間的通訊提供了接口。當(dāng)ZCL屬性發(fā)生改變時發(fā)送相應(yīng)報告給指定節(jié)點，或者在規(guī)定時間內(nèi)未發(fā)送屬性報告則啟動相應(yīng)報告的發(fā)送，通過屬性配置擴展域規(guī)定了ZHA設(shè)備哪些簇的哪些屬性可以進行匯報。屬性匯報機制解決了由于匯聚節(jié)點通過主動定時查詢來保持設(shè)備狀態(tài)一致而帶來的通信效率低下的問題。

3 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

從技術(shù)架構(gòu)的層面來講，智能家居控制系統(tǒng)可以分為感知/執(zhí)行層、通信層和應(yīng)用層。感知執(zhí)行層負責(zé)環(huán)境信息、用電信息的采集和對上層控制指令的執(zhí)行。通信層是應(yīng)用層和感知執(zhí)行層之間信息傳遞的橋梁。應(yīng)用層則負責(zé)對采集信息進行融合分析、對應(yīng)用邏輯進行判斷決策及提供人機交互界面等。

在基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用了如圖2所示的架構(gòu)。

家庭控制中心(智能網(wǎng)關(guān))是整個控制系統(tǒng)的中樞，通常作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和管理；可提供人機界面，查看接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，管理設(shè)備間的控制關(guān)系，將相關(guān)的設(shè)備組織成一個單元，以組的形式進行管理；可以對設(shè)備進行單一設(shè)置或聯(lián)動設(shè)置，維護設(shè)備的狀態(tài)；可以提供MODBUS TCP從站功能，供第三方中控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進行監(jiān)控。

ZigBee產(chǎn)品終端可以作為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點，是傳感信息的收集者或控制命令的終端執(zhí)行者，如人體傳感器、計量插座、開關(guān)燈控制器及窗簾控制器等。

ZigBee紅外控制器，可以將網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee控制命令轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的紅外碼序列，進而控制支持紅外遙控器的家電設(shè)備。

ZigBee數(shù)字/模擬(I/O)模塊可以將一些傳統(tǒng)的繼電器模塊或模擬采集量信息融合到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，為系統(tǒng)進行決策控制提供所需的原始信息。

3.2 硬件設(shè)計

ZigBee芯片選用32位基于Cortex-M3 ARM核的片上系統(tǒng)EM357，集成了2.4G與IEEE 802.15.4-2003兼容的無線收發(fā)器；使用192KB閃存和12KB RAM存儲器；具有較高的抗干擾性，可以與其他2.4G網(wǎng)絡(luò)共存；具有產(chǎn)生真隨機數(shù)的AES-128加密引擎；硬件支持網(wǎng)絡(luò)級調(diào)試；可以用作ZigBee協(xié)調(diào)器，路由器或終端設(shè)備；具有豐富的外設(shè)資源[10]。

硬件設(shè)計工作主要分為兩大部分：家庭控制中心(HC)和終端設(shè)備的硬件設(shè)計，本文以討論家庭控制中心(智能網(wǎng)關(guān))為例進行討論說明。

為了降低成本，充分利用Android平板電腦的豐富資源，家庭控制中心采用平板電腦外加ZigBee USB Dongle的方式實現(xiàn)。Prolific公司的PL2303HXD芯片是一款支持USB轉(zhuǎn)串口的橋控制器，可在Android3.2以上的系統(tǒng)中以USB的形式而非Root權(quán)限來提供串口的功能[11]。

基 于ZigBee的USB Dongle硬 件 電 路，包 括ZigBee通訊模塊EM357和USB轉(zhuǎn)換模塊PL2303，整個模塊通過USB接口供電，原理框圖如圖3所示。

3.3 軟件設(shè)計

Ember357使用了EmberZNet Pro協(xié)議棧，Ember提供的應(yīng)用程序開發(fā)框架支持通過軟件AppBuilder配置生成嵌入式C代碼來實現(xiàn)ZigBee簇庫應(yīng)用程序[12]。通過回調(diào)函數(shù)機制，使用應(yīng)用框架API函數(shù)來與屬性進行交互、發(fā)送、接收及響應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的命令。典型的ZigBee終端設(shè)備流程圖如圖4所示。

為了在ZigBee模塊和PAD之間進行有效、可靠的信息交互，定義了如下報文格式：

P1為報文頭，表征新的一幀報文的開始；P2為序列號，用來避免對報文的重復(fù)解析；P3為報文長度，是去掉報文頭和校驗域后的有效長度；P4為命令字，用來區(qū)分報文的功能；P5為有效載荷，根據(jù)命令字的不同而具有不同的長度；P6為校驗碼，采用CRC-16來進行校驗，保證數(shù)據(jù)的完整性與正確性。

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述討論，在實驗室環(huán)境中搭建了一個基于ZHA的20個設(shè)備的演示測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：基于Android4.0系統(tǒng)的平板電腦外加ZigBee USB Dongle作為整個控制系統(tǒng)的人機交互界面，6個開關(guān)燈控制器控制開關(guān)燈設(shè)備，6個窗簾控制器控制窗簾的上升/下降，6個調(diào)光燈控制器控制可調(diào)燈光的照度和1個人體傳感器檢測環(huán)境中是否有人存在。通過綁定操作，可以建立任意2個可匹配的終端設(shè)備之間的控制關(guān)系；通過使系統(tǒng)處于標識狀態(tài)，可以很方便地加入組，進而對組進行情景配置。通過屬性報告機制，可以將終端設(shè)備的狀態(tài)及時反饋到人機界面上。

通過Insight Desktop軟件和Insight Adapter報文捕捉設(shè)備，可以對ZigBee報文進行分析。由于篇幅所限，在此僅對在PAD上(節(jié)點標識號為0xCAA1)通過單擊其中一個情景模式按鈕后捕獲的報文進行說明。將節(jié)點標識號為0xD5DF、0x8DF7、0x1064及0x239C等20個點的相應(yīng)的終端設(shè)備加入到組1中,并用自行設(shè)計的配置軟件設(shè)定好各設(shè)備的情景模式為1時對應(yīng)的狀態(tài)。圖5為報文捕捉軟件的截圖，左上部顯示的是當(dāng)前通訊事務(wù)總覽，第二行為對應(yīng)觸發(fā)情景模式操作的事務(wù)，左下部為對應(yīng)該事務(wù)所伴隨的多個通信事件，右上方為對應(yīng)事件的解碼內(nèi)容，右下方為捕獲到的16進制數(shù)據(jù)串。從圖5可以看出，0xCAA1通過廣播命令，使射頻信號處于接收狀態(tài)(RX_ON)并且加入了組1的設(shè)備執(zhí)行情景模式號為1的動作。該命令對應(yīng)的Profile標識為0x0104(ZigBee HA Profile對應(yīng)的標識)。調(diào)用情景模式(Recall Scene)是一個ZCL命令(命令號0x05)，報文捕捉軟件能夠解析出該命令為“ZCL:RecallScene”，組標識號為0x0001,情景標識號為0x01。由以上分析可知，情景模式調(diào)用的實現(xiàn)是符合ZHA規(guī)范的，通過類似的分析方法對設(shè)計的系統(tǒng)進行了分析驗證。

4 結(jié)束語

ZigBee無線智能家居控制系統(tǒng)省去了布線的煩惱、組網(wǎng)靈活，相比傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。本文探討了ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)和ZigBee家居自動化配置規(guī)約,提出了基于ZigBee的典型系統(tǒng)架構(gòu)，給出了一種基于Ember357的智能家居控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及實現(xiàn)。通過搭建一套20點的展示平臺，借助ZigBee報文捕捉工具，證明了所開發(fā)的這套系統(tǒng)是符合ZHA規(guī)約的,為下一步的產(chǎn)品認證工作做了較好的準備。

根據(jù)ZHA配置規(guī)約設(shè)計的智能家居系統(tǒng)，能夠使不同廠家的產(chǎn)品實現(xiàn)互通、互連，為終端用戶提供更多的選擇。相信在市場的驅(qū)動和ZigBee聯(lián)盟的推動下，會有更多的廠商研發(fā)基于規(guī)范的智能家居產(chǎn)品，為終端用戶提供舒適、便捷、安全和節(jié)能的智能家居新體驗！

[1]吳文忠,李萬磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計,2011,32(6):1987-1990.

[2]劉萍,胡杰.基于ZigBee 的智能家居室內(nèi)通信系統(tǒng)[J].湖南農(nóng)機,2011,38(9):40-41.

[3]姚建峰,郭旭展.基于Zigbee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].無線互聯(lián)科技,2012(10):53-88.

[4]徐海峰.基于Zigbee智能家居的低功耗節(jié)點設(shè)計[J].綠色科技,2012(6):277-279.

[5]郎為民.ZigBee標準化進展[J].數(shù)據(jù)通信，2010(06)：12-16.

[6]ZigBee Alliance.ZigBee Specification Overview [EB/OL].http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/Overview.aspx.

[7]ZigBee Alliance.ZigBee Specification [EB/OL].http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/download.aspx.

[8]ZigBee Alliance.ZigBee Cluster Library Specification[EB/OL].http://www.zigbee.org/zigbee/en/spec_.download/spec_download.asp?AccessCode=1351395201.

[9]ZigBee Alliance.Home Automation Public Application Profile [EB/OL].https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/07/docs-07-5367-02-0afg-home-automation profile-for-public-download.pdf.

[10]Silicon Laboratories.EM351/EM357 Datasheet [EB/OL].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/EM35x.pdf.

[11]Prolific Technology.PL2303 Android USB Host Solution Application Note[EB/OL].http://www.prolific.com.tw/US/ShowProduct.aspx?p_id=230 ＆ pcid=41.

[12]Silicon Laboratories.Application Development Fundamentals For the Ember EM2xx and EM3xx Platforms[EB/OL].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/App-Dev-Fundamentals.pdf.