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        ZigBee技術(shù)在家居智能中的應(yīng)用

        2014-11-07 05:13:47王加梁
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年19期
        關(guān)鍵詞:溫度傳感器

        王加梁

        摘 要:今天人們的生活水平和生活質(zhì)量隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,而得到了大幅度的提高。因此人們對(duì)家庭居住環(huán)境提出了更高的要求,希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居因此進(jìn)入了人們的視線。智能家居是一項(xiàng)綜合性的技術(shù),綜合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化以及傳感器等多門學(xué)科,同時(shí)又融入了人文科學(xué)等內(nèi)容。通過各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合管理,使得人們的生活更加舒適化、高效節(jié)能。家居智能中的控制需要連接許多設(shè)備節(jié)點(diǎn),這些設(shè)備控制命令較少,但需要長時(shí)間在線,所以需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點(diǎn)。該文通過對(duì)智能家居的簡要介紹,包括智能家居產(chǎn)生背景以及智能家居發(fā)展歷程;比較了幾種無線通信技術(shù),詳細(xì)介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢;最后對(duì)整個(gè)家居智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作了介紹,并詳細(xì)介紹了ZigBee技術(shù)在溫度傳感器中的使用。

        關(guān)鍵詞:ZigBee 家居智能 溫度傳感器

        中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2014)07(a)-0038-02

        1 引言

        1.1 智能家居簡介

        人們的生活水平和質(zhì)量隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而得到了大幅度的提高。因此人們對(duì)家庭居住環(huán)境提出了更高的要求,希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是一項(xiàng)綜合性的技術(shù),綜合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化以及傳感器等多門學(xué)科,同時(shí)又融入了人文科學(xué)等。通過各項(xiàng)技術(shù)的綜合管理,使得人們的生活更加舒適化、高效節(jié)能。家居智能系統(tǒng)的核心技術(shù)是:對(duì)于內(nèi)部家庭的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及智能控制。內(nèi)部的家庭網(wǎng)具有兩種方式進(jìn)行組網(wǎng),即無線網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用的都是有線網(wǎng)絡(luò)的方式,采用綜合布線實(shí)現(xiàn)智能家居。但是這種布線使得成本急劇上升,安裝十分復(fù)雜。因此人們逐漸轉(zhuǎn)向無線傳感方面[1]。

        家居智能大體上分為兩種類型:家庭的控制網(wǎng)絡(luò)以及家庭的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家庭的控制網(wǎng)絡(luò)能夠使得不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,同時(shí)也能夠相互之間進(jìn)行通信以及網(wǎng)絡(luò)等功能。當(dāng)然這些控制都是低速的,可控制照明燈光、家庭的安防以及應(yīng)急等實(shí)用功能。家居智能中的控制需要連接很多設(shè)備節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)又都需要電池供電。因此,需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點(diǎn)。

        1.2 智能家居發(fā)展歷程

        傳統(tǒng)的智能家居都是通過有線的布線方式進(jìn)行組建的,這樣做固然能夠使得數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,但是卻帶來了許多問題。人們逐漸采用無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,包括:藍(lán)牙、WiFi、紅外以及ZigBee等。這些網(wǎng)絡(luò)無線技術(shù)的逐漸完善,使得家居智能取得了質(zhì)的飛躍。

        20世紀(jì)80年代在美國建成了第一棟智能建筑,智能建筑逐漸有了新的概念。此后世界各國都提出了很多基于家居的智能方案。這些智能家居方案在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)以及日本等的應(yīng)用十分廣泛[2]。

        20世紀(jì)90年代末期,新加坡舉辦了活動(dòng)“98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國際展覽會(huì)”。在這次展覽大會(huì)上,新加坡提出了基于本國的家居智能系統(tǒng)。這個(gè)家居智能系統(tǒng)主要是包括了很多實(shí)用功能:智能的家庭控制面板、智能的接入寬帶功能、控制家電功能、接入有線電視功能、安防應(yīng)用以及抄送三表等功能。雖然這些功能在當(dāng)時(shí)只是一個(gè)概念,并沒有完全融入人們的日常生活中。但是人們相信隨著科技的發(fā)展,家居智能必將服務(wù)現(xiàn)代人們,使得人們能夠具有高質(zhì)量的生活。

        2 無線通信技術(shù)簡介

        2.1 藍(lán)牙技術(shù)

        藍(lán)牙是一種短距離的無線通信技術(shù)。通過藍(lán)牙技術(shù),我們能夠通過無線的方式,使筆記本電腦、移動(dòng)電話和無線耳機(jī)等各種設(shè)備間進(jìn)行信息交換。我們能夠通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,但是藍(lán)牙的連接時(shí)間很長,大概需要3~10 s的時(shí)間。藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率是1Mbps,主要采用了時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)了全雙工傳輸。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,采用了快跳頻以及短包技術(shù)和分散式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),工作在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科學(xué)的2.4 GHz ISM頻段,這個(gè)頻段是全球免費(fèi)通用的[3]。

        2.2 WiFi技術(shù)

        WiFi無線傳輸技術(shù)具有快速安全和可靠等優(yōu)點(diǎn),能夠使得計(jì)算機(jī)能夠通過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)的連接。WiFi具有很寬廣的覆蓋面積,能夠達(dá)到大約100 m。其缺點(diǎn)是電波容易受到干擾,用戶在使用WiFi過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容易被竊聽和竊取,用戶的信息安全得不到保證?,F(xiàn)在WiFi協(xié)議不斷發(fā)展,具有各種各樣的安全協(xié)議,使得安全性能得到很大提高[4]。

        2.3 ZigBee技術(shù)

        作為一種全新的無線傳輸技術(shù),ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點(diǎn)。其也是工作在2.4 GHz的頻段范圍內(nèi),傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到10~75 m,其協(xié)議內(nèi)容同藍(lán)牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)傳輸?shù)膱龊?,這是因?yàn)閆igBee經(jīng)常是工作在睡眠模式下。現(xiàn)在世界上有70多個(gè)國家加入了ZigBee聯(lián)盟。在不同的國家和地區(qū),采用了不同的物理層的頻段:在歐洲地區(qū)是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加適合應(yīng)用在低頻率和低傳輸速率的儀器上,這是因?yàn)槠洳捎玫氖切切途W(wǎng)絡(luò),主從配合。

        2.4 紅外技術(shù)

        在20世紀(jì)90年代初期,世界上20多個(gè)廠商聯(lián)合建立紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)。他們將紅外通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一,這就是紅外技術(shù)。紅外技術(shù)的初始數(shù)據(jù)傳輸是4兆波特率,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)在的傳輸速率提高了3倍。紅外技術(shù)更加適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離無線傳輸上,這是因?yàn)榧t外技術(shù)采用的近紅外線的波長很短,因此并不能夠穿透物體,或者說在穿透物體時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生偏差。當(dāng)前紅外技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛,技術(shù)已經(jīng)十分成熟[5]。

        2.5 射頻設(shè)別技術(shù)

        射頻識(shí)別技術(shù),也叫做無線射頻識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)是在1990年流行的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)并不需要直接接觸,而是通過射頻的方式進(jìn)行互相通信。射頻識(shí)別的數(shù)據(jù)傳輸精度很高,同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。正是因?yàn)樯漕l識(shí)別技術(shù)不需要進(jìn)行直接接觸,因此在應(yīng)用的過程中并沒有摩擦,同時(shí)也不需要可見光源,因此使用壽命很長,耐久性很好。endprint

        3 ZigBee技術(shù)

        3.1 ZigBee協(xié)議

        ZigBee協(xié)議是定義在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上,IEEE802.15.4是一個(gè)新興的無線通訊協(xié)議,是一種低速的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩個(gè)層次進(jìn)行了定義:MAC層以及PHY層。MAC層是介質(zhì)訪問層,其對(duì)多個(gè)無線的傳輸信號(hào)采用何種方式實(shí)現(xiàn)頻段共享進(jìn)行了定義和說明。PHY層是物理層,其對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)的無線頻段進(jìn)行了定義。然而,只對(duì)這兩個(gè)層的定義和規(guī)范不能解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)人袉栴}。這是由于即使是在這樣的規(guī)范下,世界各生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)出來的設(shè)備同樣具有兼容性問題[8]。這就需要廠商聯(lián)合起來,對(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義和規(guī)范。因此ZigBee聯(lián)盟成立起來,其規(guī)定了不同的設(shè)備生產(chǎn)廠商進(jìn)行設(shè)備兼容性的問題[7]。

        3.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

        數(shù)據(jù)傳輸速率低:ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸在20~200K波特率之間,可以分成幾個(gè)頻段。依據(jù)不同的頻段,能夠具有與不同的數(shù)據(jù)傳輸能力。但是該速度能夠滿足其一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩6]。

        功耗很低:ZigBee的功耗很低,兩節(jié)5號(hào)電池能夠供其在待機(jī)時(shí)能夠工作半年到2年。

        成本低:ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度比較低,因此具有很簡單的協(xié)議,成本也就相應(yīng)減少了。同時(shí)該技術(shù)協(xié)議是開發(fā)的,用戶在使用的過程中并不需要向相關(guān)部門提交專利費(fèi)。

        具有較快的響應(yīng)速度:將其喚醒到工作狀態(tài),所需時(shí)間只要15 ms;接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間也僅需30 ms,節(jié)約能量。藍(lán)牙接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間很長,大概需要3~10 s;WiFi接入網(wǎng)絡(luò)也需要3 s的時(shí)間。

        3.3 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

        ZigBee的協(xié)議相比較上節(jié)所提到的無線標(biāo)準(zhǔn),具有簡單有效的特點(diǎn)。ZigBee的協(xié)議在惡劣的環(huán)境下也能夠很好地工作,只需要很低的硬件配置就能夠正常工作[9]。ZigBee具有幾個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

        4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        基于ZigBee技術(shù)的家居智能系統(tǒng)設(shè)計(jì),傳感器系統(tǒng)有很多,溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器等等,如圖2ZigBee技術(shù)在家居智能中的應(yīng)用。本文簡要介紹其中的一款溫度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

        4.1 硬件系統(tǒng)簡介

        圖3為ZigBee家居智能節(jié)點(diǎn)硬件示意圖,它由射頻數(shù)據(jù)模塊、微控制器和外圍設(shè)備組成,其外圍設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、LCD等。

        4.2 無線收發(fā)器

        MC13192是飛思卡爾公司的一款無線收發(fā)器。該收發(fā)器具有很低的功率消耗,同時(shí)工作在2.4 GHz頻段下。MC13192在mesh以及star網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用良好。如果對(duì)MC13192加上相應(yīng)的MCU控制器后,就能夠提供一種合適性價(jià)比的數(shù)據(jù)傳輸方案。

        4.3 主控芯片

        本文設(shè)計(jì)的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52單片機(jī)。MSC-51單片機(jī)是八位的非常實(shí)用的單片機(jī)。本文所使用的AT89S52單片機(jī)就是基于這款單片機(jī)的。MSC-51單片機(jī)的基本架構(gòu)被ATMEL公司購買,繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能,同時(shí)擴(kuò)展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn),因此無論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應(yīng)用都很多。全球也有許多大公司對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展,加入新的功能。即使是在今天,51單片機(jī)仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場。這款單片機(jī)具有最大能夠支持的64 K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展,同時(shí)還具有8K字節(jié)的Flash空間。該單片機(jī)具有4組I/O口,分別是從P0到P3,同時(shí)每組端口具有8個(gè)引腳。

        4.4 液晶模塊

        液晶模塊的功能主要是顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。例如,進(jìn)行信道的能量檢測時(shí),等檢測完畢之后,就可以在液晶上顯示檢測到的當(dāng)前信道的能量級(jí)別;MCU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功,若發(fā)送成功就可以在液晶上顯示成功,如果發(fā)送不成功,則可以根據(jù)返回的狀態(tài)在液晶上顯示發(fā)送不成功的原因。

        4.5 溫度傳感器

        溫度檢測的方法有很多,比如采用熱電偶等。本文采用的是DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器采用的是one-Wire總線,即只采用一根信號(hào)線與單片機(jī)進(jìn)行連接。該測溫傳感器能夠測量-55~125 ℃的溫度范圍,同時(shí)分辨率能夠達(dá)到0.5 ℃。工作電壓范圍很寬,一般為3.0~5.5 V。

        5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        5.1 總體設(shè)計(jì)

        整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要可以分成三個(gè)層:應(yīng)用層、協(xié)議層以及系統(tǒng)平臺(tái)層。系統(tǒng)平臺(tái)層提供服務(wù)給協(xié)議層,這些工作都是同過調(diào)用API程序來實(shí)現(xiàn)的;協(xié)議層是對(duì)物理層和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn);應(yīng)用層主要完成傳輸數(shù)據(jù)等功能。

        5.2 溫度測量程序

        該論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件,與主控芯片進(jìn)行一根數(shù)據(jù)線連接,就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時(shí)序必須具有嚴(yán)格的要求。在出廠之前,每個(gè)器件的ROM上都光刻上64位的編碼,這個(gè)編碼地址序列是唯一的,我們可以通過這個(gè)編碼地址序列來進(jìn)行多點(diǎn)的組網(wǎng)。本文所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng),在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只是用一個(gè)溫度傳感器,因此在程序中并不需要讀取其ROM編碼。

        6 結(jié)語

        目前在智能家居設(shè)備控制已經(jīng)應(yīng)用方面各個(gè)商家和設(shè)備廠商繽紛復(fù)雜、百花齊放,對(duì)技術(shù)的采用和各個(gè)系統(tǒng)的融合還存在很大的討論空間。所以本論文在結(jié)合ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上討論了其在溫度傳感中的典型應(yīng)用,以希望此論文能夠拋磚引玉,為我國現(xiàn)代化技術(shù)在智能家居智能領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。

        參考文獻(xiàn)

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