龐 泳，李光明

（山東大學(xué)（威海）機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海264209）

0 引 言

智能家居系統(tǒng)以住宅為平臺，集成或控制各種家居設(shè)備，形成集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的智能系統(tǒng)。通過在住宅內(nèi)部建立局域性的通信網(wǎng)絡(luò)，可將通信設(shè)備和家居設(shè)備互相連接并作為智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的基本元素。系統(tǒng)為內(nèi)部設(shè)備提供相互間的信息交流通路，通過相應(yīng)的硬件、軟件的支持來實現(xiàn)智能家居終端對家居設(shè)備和住宅的狀態(tài)監(jiān)測和監(jiān)控，并將生成的記錄數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。通過對住宅內(nèi)部環(huán)境的長期監(jiān)測，智能獲取居住者的居住習(xí)慣，進(jìn)一步結(jié)合人為設(shè)定的控制指令，自動控制、調(diào)節(jié)設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)住宅的智能化、人性化，為居住者提供一個舒適、安全、節(jié)能的住宅環(huán)境。

智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在整個智能家居系統(tǒng)中具有舉足輕重的紐帶作用。無線網(wǎng)絡(luò)憑借低功耗、無線通信等傳輸優(yōu)勢成為家居系統(tǒng)發(fā)展中網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的新趨勢?；赯igBee協(xié)議的智能家居改進(jìn)系統(tǒng)采用內(nèi)部無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過改進(jìn)的MAC層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)智能家居監(jiān)測系統(tǒng)的高效性與可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)備管理控制功能上的區(qū)別，對智能家居系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行分類：智能家居控制主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制服務(wù)系統(tǒng)、智能家居數(shù)據(jù)庫、布線系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、控制器、家居設(shè)備。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)組成

（1）智能家居控制主機(jī)：對住宅內(nèi)所有模塊進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)內(nèi)部各個設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是智能家居系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)：在控制主機(jī)、數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測系統(tǒng)中起通信作用，負(fù)責(zé)智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）智能家居監(jiān)測系統(tǒng)：是智能家居系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)，對設(shè)備狀態(tài)和住宅內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行感知、監(jiān)測。

（4）智能家居控制器：控制器負(fù)責(zé)將智能家居控制主機(jī)下達(dá)的控制命令傳達(dá)給家居設(shè)備，使設(shè)備通過執(zhí)行相應(yīng)動作對自身狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

（5）遠(yuǎn)程控制服務(wù)系統(tǒng)：遠(yuǎn)程控制服務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（6）智能家居數(shù)據(jù)庫：存儲特定時間段內(nèi)住宅的狀態(tài)信息，記錄各家居設(shè)備的狀態(tài)信息。

（7）智能家居布線系統(tǒng)及家居設(shè)備。

智能監(jiān)測系統(tǒng)是智能家居對住宅環(huán)境和家居設(shè)備進(jìn)行感知監(jiān)測的重要部分，它不僅承擔(dān)了對住宅內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，還要負(fù)責(zé)和位于系統(tǒng)上一級的智能家居控制主機(jī)進(jìn)行雙向的信息傳遞。在監(jiān)測系統(tǒng)和控制主機(jī)進(jìn)行通信的過程中，系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的可行性、可靠性發(fā)揮著重要作用，當(dāng)前智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)多數(shù)采用較為廣泛的Ethernet有線局域網(wǎng)。有線網(wǎng)在鋪設(shè)過程中，布線對建筑物的破壞和對時間人力的浪費現(xiàn)象隨著家居住宅內(nèi)部功能模塊的細(xì)化變得越來越嚴(yán)重?；赯igBee無線協(xié)議的智能家居系統(tǒng)在解決布線弊端的同時，開啟了智能家居系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)男缕隆?/p>

不同于有線網(wǎng)的線內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，在智能家居系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過無線方式進(jìn)行交互傳輸。在無線網(wǎng)絡(luò)擁有組建簡單、便捷等優(yōu)點的同時，無線傳輸方式同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)存在可靠性方面的問題?；赯igBee協(xié)議的智能家居改進(jìn)系統(tǒng)通過采用MAC層改進(jìn)協(xié)議與ZigBee協(xié)議中的幀格式兩部分結(jié)合的數(shù)據(jù)處理機(jī)制，確保了智能家居系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。改進(jìn)后的智能家居系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 智能家居改進(jìn)系統(tǒng)組成

2 智能終端設(shè)計

智能終端負(fù)責(zé)實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中的具體功能：如空調(diào)系統(tǒng)、煙霧監(jiān)測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。智能終端由智能監(jiān)測系統(tǒng)、智能家居控制器、家居設(shè)備組成。智能監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在家居設(shè)備上的各類傳感器構(gòu)成，這些傳感器主要負(fù)責(zé)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行收集。智能家居控制器的功能由相應(yīng)的控制電路來完成。如今，傳感器和控制電路常常被集成在一張主板上，形成智能終端節(jié)點。

在不同的應(yīng)用場景中，智能終端節(jié)點終端節(jié)點的組成并非完全相同，基本組成包括：負(fù)責(zé)對溫濕度、紅外、亮度等環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器部分，通過無線射頻模塊與其他節(jié)點和智能家居控制主機(jī)進(jìn)行信息交流的控制器部分，將得到的模擬信號和接收到的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的單片機(jī)部分，以及為單片機(jī)和控制部分進(jìn)行供電的電源部分。智能家居終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。圖中比較電路只存在于煙霧監(jiān)測、燃?xì)獗O(jiān)測兩類智能終端節(jié)點上，在特殊情況下利用改進(jìn)的MAC協(xié)議，將這兩類監(jiān)測信息優(yōu)先發(fā)給智能家居控制主機(jī)。控制部分的無線模塊采用TI公司的CC2530芯片作為無線收發(fā)器。CC2530是TI公司經(jīng)過ZigBee認(rèn)證的Z-Accel系列的網(wǎng)絡(luò)處理器，支持現(xiàn)有的ZigBee、Z-StackTM。CC2530內(nèi)部包含一個專門支持ZigBee協(xié)議和底層協(xié)議IEEE802.15.4的定時器，并且支持低功耗工作模式，當(dāng)無線模塊被配置成終端設(shè)備時，CC2530將自動轉(zhuǎn)換到低功耗工作模式，在終端設(shè)備空閑時，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，再從睡眠狀態(tài)中喚醒，實現(xiàn)節(jié)省電量的目的。

圖3 智能終端節(jié)點結(jié)構(gòu)框架

3 ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟以廉價、低功耗、雙向通信為目標(biāo)推出的一種無線通信協(xié)議，主要被嵌入到各種電子設(shè)備、家居設(shè)備和建筑物的自動化以及工業(yè)控制領(lǐng)域等。ZigBee協(xié)議以IEEE802.15.4無線協(xié)議為基礎(chǔ)，依據(jù)TI協(xié)議棧，提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的框架構(gòu)造，IEEE802.15.4協(xié)議定義了物理層和MAC層協(xié)議的內(nèi)容，兩者配合使用為設(shè)備提供信道動態(tài)選擇機(jī)制。作為低速、短距離、低功耗的無線代表協(xié)議之一，ZigBee協(xié)議較其他無線傳輸協(xié)議擁有較大的優(yōu)勢：①功耗低。ZigBee通過降低傳輸數(shù)據(jù)量、降低發(fā)信機(jī)的忙閑比、降低幀開銷，并實行嚴(yán)格的功率管理機(jī)制降低設(shè)備功率。②成本低。③可靠性高。ZigBee協(xié)議采用載波監(jiān)聽多址、沖突避免通信接入方式和完全握手方式，保證信息傳輸?shù)目煽啃?。④網(wǎng)絡(luò)容量大。每個Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可容納65000多個設(shè)備節(jié)點。⑤優(yōu)良的拓?fù)淠芰?。ZigBee協(xié)議支持星型、簇樹型、網(wǎng)型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。配置ZigBee協(xié)議的節(jié)點具有自組網(wǎng)功能，ZigBee網(wǎng)絡(luò)也因此具有網(wǎng)絡(luò)自愈能力。⑥工作頻段靈活。

智能家居系統(tǒng)內(nèi)部利用ZigBee協(xié)議，可以組成結(jié)構(gòu)簡單、功率有限、吞吐量靈活的無線局域網(wǎng)。在無線局域網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備分為全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備兩種。前者可以作為路由器和協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建以及智能家居系統(tǒng)中智能監(jiān)測系統(tǒng)和智能家居控制主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流；后者僅能作為智能終端節(jié)點，采集住宅內(nèi)部設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境參量，不能向下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

在智能家居系統(tǒng)中，無線監(jiān)測節(jié)點的數(shù)量多達(dá)幾十個，適宜采用簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖中監(jiān)測節(jié)點按照各自在網(wǎng)絡(luò)中所起到的作用分為三類：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（黑色節(jié)點）、路由器 （節(jié)點1-3號）和終端設(shè)備，分別與系統(tǒng)中的智能家居控制主機(jī)、系統(tǒng)內(nèi)路由器和智能終端節(jié)點相對應(yīng)。

圖4 ZigBee協(xié)議中簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

作為協(xié)調(diào)器的智能家居控制主機(jī)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，系統(tǒng)路由器和智能終端節(jié)點初始化后自動查找自身周圍的智能家居控制主機(jī)并申請加入到其所在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。智能家居控制主機(jī)為每一個位于智能家居系統(tǒng)無線局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備節(jié)點分配一個16位短地址用于其在智能家居系統(tǒng)中設(shè)備節(jié)點間的網(wǎng)內(nèi)通信。ZigBee協(xié)議中的幀由幀首、目的地址、長度、有效負(fù)載、校驗位組成，并通過網(wǎng)絡(luò)層向下傳遞至MAC層，整體上作為MAC幀的有效負(fù)載部分，在MAC層進(jìn)一步封裝后到達(dá)物理層，在物理層經(jīng)過無線射頻模塊，發(fā)送到智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中。

4 MAC層改進(jìn)設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)在物理層和鏈路層采用IEEE802.15.4協(xié)議。IEEE802.15.4是具有開放式鏈接層結(jié)構(gòu)的MAC協(xié)議，具有復(fù)雜度低、成本低、功耗小的特點。IEEE802.15.4協(xié)議中定義了3種數(shù)據(jù)通信頻段，分別包括868MHz、915MHz和2.4GHz，3個頻段中的數(shù)據(jù)傳輸速率依次增大。綜合考慮智能家居系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備的工作頻段以及智能家居控制主機(jī)、PC、智能終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的傳輸要求，系統(tǒng)選擇2.4GHz通信頻段以避免與其他電氣設(shè)備的互相干擾。

在保證MAC協(xié)議簡潔的前提下，MAC層的幀結(jié)構(gòu)較為靈活，MAC層的幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 MAC層幀結(jié)構(gòu)

如圖5所示ZigBee協(xié)議將應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層封裝后向下層傳遞作為MAC層的有效負(fù)載。MAC層在ZigBee協(xié)議幀的前面部分依次添加2個字節(jié)的幀控制符、1個字節(jié)的序列號、以及0－20個可變字節(jié)長度的地址信息，并在最后補(bǔ)上2個字節(jié)的幀校驗符。開首的幀控制符說明了MAC幀中其余部分的內(nèi)容，序列號是指傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀或者確認(rèn)幀序號，幀校驗符采用16位的循環(huán)冗余校驗。其中幀控制符分別說明了MAC幀的幀類型、幀屬性 （安全屬性、緩存與否、確認(rèn)與否、協(xié)調(diào)器屬性等）、目的地址和源地址的類型以及分別位于目的地址類型前后的共5位保留字符位。

選擇位于目的地址類型前面的3位保留字符作分析，將這3位保留字符的第一位保留字符設(shè)置為優(yōu)先級位，默認(rèn)值為0；第二位和第三位兩位保留字符一起設(shè)置為設(shè)備類型代碼，默認(rèn)值為00。煙霧監(jiān)測模塊、燃?xì)獗O(jiān)測模塊上的傳感器對環(huán)境參量進(jìn)行實時監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電平比較電路，經(jīng)過比較后如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，MAC層在對ZigBee協(xié)議幀進(jìn)行封裝時，將幀控制位中保留字符的第1位，置1。第二、三位保留字符根據(jù)傳感器類型進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定，溫濕度傳感器、紅外傳感器、亮度傳感器等對住宅環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測的傳感器使用默認(rèn)值00作為自身的設(shè)備類型代碼，煙霧傳感器、燃?xì)鈧鞲衅鞯脑O(shè)備類型代碼用第二位置1的保留字符進(jìn)行區(qū)分。智能家居系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的傳感器設(shè)備類型代碼以及相關(guān)監(jiān)測狀態(tài)設(shè)定見表1。

表1 保留位設(shè)定

智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的路由器收到監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，經(jīng)物理層將數(shù)據(jù)上傳至MAC層，MAC層對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解封時，對MAC層的幀控制符進(jìn)行解析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)保留字段中第一位為1時，路由器判斷此數(shù)據(jù)幀為環(huán)境異常數(shù)據(jù)幀，此時路由器不再將該數(shù)據(jù)幀進(jìn)一步向上傳遞給網(wǎng)絡(luò)層，而是直接對該數(shù)據(jù)幀在MAC層進(jìn)行再次封裝，封裝向下傳遞給物理層后，立即通過無線射頻部分直接發(fā)送給智能家居系統(tǒng)內(nèi)部擔(dān)任ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的智能家居控制主機(jī)，使之能第一時間收到住宅內(nèi)部環(huán)境異常的數(shù)據(jù)幀信息，立即調(diào)整智能家居系統(tǒng)中相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，確保住宅內(nèi)安全。若保留字段第一位不為1，則MAC層默認(rèn)將數(shù)據(jù)解封后將MAC層幀結(jié)構(gòu)中的有效負(fù)荷部分上傳至網(wǎng)絡(luò)層，并被放到緩存區(qū)內(nèi)等待，到達(dá)輪詢時間時，路由器將緩存區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝后，經(jīng)過MAC層、物理層和無線射頻模塊，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居控制主機(jī)。這樣智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的路由器只在輪詢時刻或收到優(yōu)先級為1的環(huán)境異常數(shù)據(jù)時進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，其余時刻均處于接收狀態(tài)，智能終端節(jié)點只在周期性向路由器發(fā)送數(shù)據(jù)時，處于發(fā)送狀態(tài)，其他時間處于睡眠狀態(tài)。

5 系統(tǒng)仿真分析

為了分析智能家居系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的性能以及MAC層改進(jìn)協(xié)議的實際工作情況，實驗采用NS2仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)的模擬仿真。NS2是一款開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以Linux／Unix為運(yùn)行平臺。NS2仿真軟件本質(zhì)上是一個離散事件模擬器，所有的仿真都由離散事件驅(qū)動。如果要在Windows環(huán)境下安裝NS2仿真軟件，需要首先安裝模擬平臺cygwin或虛擬機(jī)。安裝完成后，可在NS2官方網(wǎng)站上下載NS2壓縮包、解壓安裝，編譯后，如果沒有出現(xiàn)錯誤，即為正確安裝。

實驗過程中使用NS2.29版本，由于ZigBee協(xié)議模塊并沒有包含在NS2.29內(nèi)，所以需要先在NS2下添加Zig－Bee協(xié)議，并對Makefile文件進(jìn)行部分語句的修改。圖6為在NS2平臺上搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。選取圖中的節(jié)點0代表智能家居控制主機(jī)并作為智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實際仿真過程中，0號節(jié)點顯示為代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的紅色。選取6號節(jié)點代表煙霧傳感器模塊，4號節(jié)點代表溫濕度傳感器模塊，兩者共同的父節(jié)點1號節(jié)點代表智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的路由器。實驗過程中，用cbr數(shù)據(jù)流代表正常狀態(tài)下的環(huán)境數(shù)據(jù)，poisson數(shù)據(jù)流代表較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，正常情況下，兩者均發(fā)送cbr數(shù)據(jù)。當(dāng)cbr數(shù)據(jù)包總共發(fā)送975個時，控制主機(jī)接收865個，包的交付率為0.89，此時節(jié)點6總共發(fā)送了19個較高優(yōu)先級的poisson包，控制主機(jī)收到18個，包的交付率達(dá)到0.95。實驗結(jié)果表明，較高優(yōu)先級的poisson包存在較高的交付率，改進(jìn)的MAC協(xié)議能夠可靠的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 NS2平臺上搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)

在整機(jī)測試中，以網(wǎng)蜂公司的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品為平臺進(jìn)行實際測試實驗。實驗中使用節(jié)點芯片CC2530上自帶的溫度傳感器作為智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的溫濕度模塊的溫度部分，將煙霧傳感器用杜邦線外接至第二個節(jié)點的CC2530芯片作為煙霧監(jiān)測模塊，最后利用第三和第四個節(jié)點分別作為智能家居系統(tǒng)中的路由器和智能家居控制主機(jī)。先將智能家居控制主機(jī)啟動，建立無線網(wǎng)絡(luò)，然后分別啟動路由器和兩個監(jiān)測模塊，路由器和兩個監(jiān)測模塊順利加入到控制主機(jī)所在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。正常情況下兩個監(jiān)測模塊依次向路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，路由器周期性地按照設(shè)定的輪詢時間向智能家居控制機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)在煙霧模塊附近點燃煙火，傳感器檢測到煙霧數(shù)據(jù)超標(biāo)時，煙霧傳感器將環(huán)境異常數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，路由器不再按照輪詢次序向智能家居控制機(jī)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而是直接將煙霧模塊發(fā)送的環(huán)境異常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制機(jī)主機(jī)，系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號。測試結(jié)果同樣表明，對基于ZigBee協(xié)議的智能家居MAC層改進(jìn)協(xié)議具有可行性、可靠性，能較好地應(yīng)用于實際。

6 結(jié)束語

針對家居系統(tǒng)布線過程存在的弊端，提出基于ZigBee協(xié)議的智能家居系統(tǒng)，節(jié)點通過ZigBee協(xié)議自動組網(wǎng)。智能家居控制主機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備狀態(tài)?？紤]到智能家居系統(tǒng)實際工作過程中存在不同類型的數(shù)據(jù)，文章對配置在節(jié)點的MAC層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，利用MAC幀格式中控制符內(nèi)部預(yù)留的保留位對數(shù)據(jù)優(yōu)先級和設(shè)備種類進(jìn)行標(biāo)識，以實現(xiàn)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)快速到達(dá)智能家居控制主機(jī)的目的。通過在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺進(jìn)行仿真和對樣機(jī)的實際操作，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有可行性和可靠性，能夠?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)快速上傳。

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