曹歡歡

?

基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設計

曹歡歡

上海交通大學，上海 200240

研究了智能家居系統(tǒng)設計方案，包括內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)絡的選擇和整個系統(tǒng)的設計方案。

智能家居；ZigBee；家庭網(wǎng)關；GPRS；模塊；動態(tài)網(wǎng)站

引言

隨著電子信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們的生活水平大幅度提高，對生活環(huán)境的要求也越來越高。實現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡化是當今產(chǎn)業(yè)的重要研究任務，隨之而提出了一連串的新概念：家庭自動化、家庭信息化、智能家居等。智能家居是人類住宅的又一場新的革命，它能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。因此，智能家居系統(tǒng)也在逐漸成為一個新興的研究領域。

1 智能家居系統(tǒng)設計方案

智能家居系統(tǒng)可以劃分為外部網(wǎng)、家庭網(wǎng)關和內(nèi)部網(wǎng)三個部分[1]。外部網(wǎng)可以是小區(qū)局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet等，大多采用比較成熟的技術。內(nèi)部網(wǎng)則是用于互連家庭內(nèi)部各種電器和設備的局域網(wǎng)，由于所連接的設備功能不同，其組網(wǎng)形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內(nèi)部網(wǎng)根據(jù)其功能大體上分為三類：用于實現(xiàn)控制功能的控制網(wǎng)絡，用于交換數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關是連接家庭內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)的網(wǎng)絡連接設備，將內(nèi)部網(wǎng)接入外部網(wǎng)，為外部網(wǎng)絡提供對家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設備的控制功能，同時，家庭網(wǎng)關允許家庭內(nèi)部可以采用不同的聯(lián)網(wǎng)技術，利用網(wǎng)關為不同的通信子網(wǎng)提供橋接的能力，使各子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設備之間可以相互通信。智能家居系統(tǒng)框架如圖1所示。本設計主要對內(nèi)部網(wǎng)和家庭網(wǎng)關進行設計和實現(xiàn)。

圖1智能家居系統(tǒng)框架

2 內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)絡技術的選擇

智能家居內(nèi)部設備的互聯(lián)需要通過各種有線、無線的通信技術來實現(xiàn)，實現(xiàn)遠程控制也需要各種通信技術的支撐。

有線聯(lián)網(wǎng)技術通常采用預布的五類線、總線或電力線傳輸控制信號。遙控的功能通過無線或紅外接入點，把遙控指令轉(zhuǎn)化為有線控制指令傳輸給受控家居的智能模塊，其中，總線方式采用強弱電分離的機制，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，對負載的適應性很強，但缺點是需要預布控制線，需要的輔助設備比較多，難安裝、難調(diào)試、難維護，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后往往會導致整個系統(tǒng)癱瘓。電力載波方式利用一個或多個直接接入強電的無線接入點，通過交流強電作為載波傳輸控制信號，缺點是控制信號直接在強電網(wǎng)上傳輸，信號不穩(wěn)定而且極易受外界干擾，在應用中表現(xiàn)出很大的地區(qū)差異性。

無線組網(wǎng)方式的特點是靈活性、移動性和可擴展性，其是有線組網(wǎng)方式所無法具備的，能更好地適應各種應用環(huán)境的需要，每個家居的智能感應模塊都是一個無線接入點，彼此互不干擾。無線組網(wǎng)方式所需要解決的難題也很多，如頻譜資源分配、功率大小、傳輸?shù)目煽啃缘?。目前應用的各種無線技術包括Wi-Fi、ZigBee、藍牙、GSM、3G等，這些技術相對成熟，前三種技術適用于房間內(nèi)設備組網(wǎng)，而后兩種技術則可用于實現(xiàn)遠程接入。ZigBee、Wi-Fi、藍牙技術的對比如表1所示。

表1 ZigBee、Wi-Fi和藍牙技術的對比

通過表1可以看出ZigBee技術具有低功耗、成本低、網(wǎng)絡容量大等特點，符合智能家居內(nèi)部網(wǎng)的要求。

４整個系統(tǒng)的設計方案

本設計使用三個配置Jennic公司的JN5139模塊的傳感器板和ZigBee技術來搭建內(nèi)部網(wǎng)，分別使用以Windows XP為操作系統(tǒng)的PC機和以Linux為操作系統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板（FL2440）來設計家庭網(wǎng)關，使用GPRS模塊（MC55）來負責短信發(fā)送和接收。在Windows XP環(huán)境下使用JSP技術、Tomcat服務器和MySQL數(shù)據(jù)庫來設計一個動態(tài)網(wǎng)站，而在嵌入式Linux環(huán)境下使用CGI技術、Boa服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫來設計一個動態(tài)網(wǎng)站。本設計智能家居系統(tǒng)設計方案如圖2所示。

圖2 本設計的智能家居系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是能讓用戶通過手機短信或局域網(wǎng)范圍內(nèi)的Web瀏覽器來對傳感器板的發(fā)光二極管進行監(jiān)控，查詢傳感器的數(shù)據(jù)，得知求助信息。這里我們將發(fā)光二極管當作為一個家電設備，求助信息當作為報警信息。

家庭網(wǎng)關是連接家庭網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的接口單元，應該能夠提供家庭聯(lián)網(wǎng)、服務質(zhì)量（QoS）保障、安全管理、維護管理、地址管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，除了提供基本接入功能之外，還可以擴展提供特定應用。

本設計使用GPRS模塊（MC55）來實現(xiàn)短信發(fā)送和接收的功能。另外，本設計分別在PC機和ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板（FL2440）設計一個動態(tài)網(wǎng)站和一個應用程序，其用來處理硬件平臺之間的通信，讓用戶可以通過短信或Web瀏覽器來監(jiān)控家里的家電設備、查詢傳感器的數(shù)據(jù)以及獲知報警信息。PC機使用Windows XP作為操作系統(tǒng)，而FL2440使用Linux 2.6.28作為操作系統(tǒng)[2]。

本設計將PC機和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板分別使用，目的是PC機可對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)進行初步測試，并證明系統(tǒng)的可行性。而嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板則用于正式研究和開發(fā)。

[1]鄭權.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設計[D].大慶：東北石油大學，2010.

[2]王永春.ZigBee技術在智能家居中的應用[J].智能建筑與城市信息，2009（1）：76-79.

Design of smart home system based on ZigBee

Cao Huanhuan

Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

This paper studies the design of smart home system，including the choice of the internal network network and the design of the entire system.

smart home；ZigBee；home gateway；GPRS module；dynamic website

TP273.5

A

1009-6434（2016）12-0009-04