摘 要：本文提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案，采用了以控制系統(tǒng)為中心、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)為外圍通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建整個智能家居系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)總線方案的不足。

關(guān)鍵詞：ZigBee；家庭網(wǎng)關(guān)；智能家居系統(tǒng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]、無線通信技術(shù)以及家庭計(jì)算機(jī)是智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。智能家居是在家居設(shè)備數(shù)字化的前提下，以家庭網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)達(dá)到家庭智能化的目標(biāo)。家庭內(nèi)部組網(wǎng)是將一個個家居子系統(tǒng)互聯(lián)起來形成一個網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的信息交換和資源共享，使得智能家居系統(tǒng)成為一個有機(jī)的整體，本文從應(yīng)用角度闡述了基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低速率、低功耗、低成本、高可靠性的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的靈活安裝及可移動性特點(diǎn)，使其越來越多地被應(yīng)用于智能系統(tǒng)中?，F(xiàn)有的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、WiFi等，ZigBee 無線通信與它們相比如表1所示。

表1 ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi比較

技術(shù)指標(biāo)ZigBee藍(lán)牙Wi-Fi

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)64000732

傳輸速率（Mbit/s）25011

能耗低較高高

工作頻率（GHz）2.42.42.4

通信距離（m）10-7510100

2 智能家居系統(tǒng)

與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)孤立、靜態(tài)、被動的特性相比，智能家居有三大優(yōu)勢：第一，是一個有機(jī)的整體。將家庭內(nèi)部各子系統(tǒng)之間聯(lián)系起來，并使家庭與外界聯(lián)系起來；第二，是一個動態(tài)的系統(tǒng)。如人們忘記關(guān)窗，每逢刮風(fēng)下雨便會擔(dān)心，如果窗戶能夠動態(tài)的感應(yīng)到天氣變化，刮風(fēng)下雨時可以自動關(guān)閉，人們便不會有這樣的擔(dān)心；第三，是一個能動的系統(tǒng)。系統(tǒng)不只是被動的接收控制指令，同時還會根據(jù)環(huán)境的變化和用戶的習(xí)慣喜好自動做出相應(yīng)的調(diào)整，從某種程度上體現(xiàn)出智能性。

智能家居系統(tǒng)一般包括3個部分，即家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、家庭外部網(wǎng)絡(luò)以及家庭網(wǎng)關(guān)[2]。用戶可以利用智能終端、個人電腦等通過互聯(lián)網(wǎng)、3G、GPRS等網(wǎng)絡(luò)登錄到家庭網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而通過家庭控制器（協(xié)調(diào)器）利用無線射頻技術(shù)控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)并接受來自設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳感器的信息。組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使家里的電器、數(shù)字設(shè)備等聯(lián)系起來，配置相應(yīng)的協(xié)議使得各設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行信息交換和資源共享。智能家居系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)的作用

家庭網(wǎng)關(guān)是用來實(shí)現(xiàn)基于ZigBee協(xié)議體系構(gòu)建的家庭無線網(wǎng)絡(luò)與外部的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、GPRS、3G之間的不同協(xié)議轉(zhuǎn)換的，完成不同網(wǎng)絡(luò)體系的互聯(lián)。從整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，家庭網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的連接點(diǎn)。

2.2 分布式家庭控制網(wǎng)絡(luò)

在構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)的過程中采用基于ZigBee技術(shù)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)[3]。在這種網(wǎng)絡(luò)中具有兩個以上的控制器，這些控制器在網(wǎng)絡(luò)中扮演著同樣重要的地位，可指定其中的一個控制器作為總的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者。因?yàn)楦鱾€控制器是平等的且每個控制器都有自己一定有限的工作范圍，所以當(dāng)一個控制器因故障無法正常工作的時候，只是影響了它管轄下的本地設(shè)備及相關(guān)的一些非本地設(shè)備的工作，不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)陷入癱瘓而無法工作的狀態(tài)。這既是分布式控制網(wǎng)絡(luò)最突出的優(yōu)點(diǎn)，也是非常符合智能家居控制的特性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要包括家庭網(wǎng)關(guān)和各設(shè)備節(jié)點(diǎn)應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)。

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)是以 MPC850微處理器為核心構(gòu)建的，根據(jù)智能家居的實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)、RS485、USB 接口、RS232 等。具體的電路不同模塊的設(shè)計(jì)包括Flash內(nèi)存設(shè)計(jì)、串行接口設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、時鐘電路設(shè)計(jì)、USB接口設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)等部分。由于Flash和Boot ROM分別采用16位和8位口，Boot ROM連接WE0、Flash連接WE1。可通過RESET進(jìn)行復(fù)位，系統(tǒng)上電時復(fù)位Flash和Boot ROM。以太網(wǎng)MAC采用MPC850模塊的 SCC2。系統(tǒng)上包括以下幾種復(fù)位源：MPC850內(nèi)部復(fù)位、調(diào)試口復(fù)位、復(fù)位按鈕復(fù)位、主電源復(fù)位。家庭網(wǎng)關(guān)是5V直流電源供電，當(dāng)設(shè)備需要3.3V電源時，通過DC-DC將5V轉(zhuǎn)換為3.3V。

3.2 各設(shè)備節(jié)點(diǎn)應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)

采用盛方SF-CC2430模塊進(jìn)行。SF-CC2430模塊采用了德州儀器（TI）ZigBee射頻芯片CC2430-F128，片上集成了高性能8051內(nèi)核、ADC、USART等，同時支持 ZigBee協(xié)議棧。本文以窗簾自動化控制為例，簡單介紹各設(shè)備節(jié)點(diǎn)應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)。該模塊實(shí)現(xiàn)窗簾的自動控制功能，如圖2所示。通過家庭控制器（協(xié)調(diào)器）主節(jié)點(diǎn)將來自于上位機(jī)（智能終端、PC）的步進(jìn)電機(jī)控制指令發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)備分節(jié)點(diǎn)，再由設(shè)備分節(jié)點(diǎn)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（時間、方向以及速度等）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

只有在用戶智能終端，如手機(jī)、個人電腦、遙控器等其他設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，才能真正形成具有實(shí)際應(yīng)用價值的整個智能家居系統(tǒng)[4]。本文以典型設(shè)備程序流程為例，討論智能家居子系統(tǒng)軟件開發(fā)的的主程序的運(yùn)行流程。圖3為家庭控制器的程序運(yùn)行流程圖。圖4為設(shè)備節(jié)點(diǎn)的程序運(yùn)行流程圖。

5 結(jié)束語

提出基于ZigBee技術(shù)的無線通信技術(shù)智能家居的解決方案，完成了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件、軟件設(shè)計(jì)，以電動窗簾自動控制、家庭控制器程序流程和設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程為例詳細(xì)探討了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王雪.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：：37-324.

[2]馬倩倩.ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007：34-42.

[3]張亮.基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D].武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[4]蔣建輝.ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2006：22-29.