ZigBee是一種新興的技術(shù)，其主要的特性就是近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在眾多的領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

智能家居是一個(gè)多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng)，它以家庭住宅為平臺(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)將家庭中的各種電器設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接在一起，然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理與調(diào)控，給人們制造一個(gè)舒適、安全、方便、環(huán)保和高效的生活環(huán)境。

本文所介紹的智能家居控制器就是利用ZigBee技術(shù)將家庭中獨(dú)立的家用電器構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng)，從而方便對(duì)家居中各種電器設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理，同時(shí)也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1. ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來(lái)，很有市場(chǎng)潛力的一種無(wú)線連接技術(shù)。它是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求而誕生的。它基于IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WirelessPersonal AreaNetwork，WPAN）工作組的80211514標(biāo)準(zhǔn)，被稱為ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖1所示。

IEEE80211514標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）；網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定，其中應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。

ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，利用無(wú)線通信，通過(guò)自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非完全相同。為了降低系統(tǒng)的成本，IEEE80211514定義了2種物理設(shè)備類型：全功能設(shè)備FFD （Full FunctionDevice）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced FunctionDevice）。FFD節(jié)點(diǎn)具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換，能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)來(lái)使用，可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進(jìn)行通信；RFD只能作為終端節(jié)點(diǎn)來(lái)使用，而且只能與FFD通信，兩個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)之間不能通信。

Zigbee這一無(wú)線通信技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組織、自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

2 。基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信具有如下特點(diǎn)：①傳輸數(shù)據(jù)量小，無(wú)需太大的傳輸速度；②網(wǎng)絡(luò)的容量大，以滿足家庭中的各種家電設(shè)備；③信息的實(shí)時(shí)性好，時(shí)延短。ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)的上述需求，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無(wú)線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。

2.1 能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

智能家居系統(tǒng)可通過(guò)GSM/GPRS/CDMA/網(wǎng)絡(luò)、ZigBee個(gè)域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶在戶外可通過(guò)手機(jī)調(diào)控家中的電器和照明裝置，也可及時(shí)得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報(bào)警信息；在家中可通過(guò)遙控器調(diào)控家電設(shè)備。控制器還兼有可視對(duì)講系統(tǒng)室內(nèi)主機(jī)功能，能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息，必要時(shí)可向社區(qū)保安發(fā)出報(bào)警求救信號(hào)。系統(tǒng)主要由一個(gè)智能家居控制器和若干個(gè)室內(nèi)監(jiān)控ZigBee功能模塊組成。系統(tǒng)模型如圖2所示。智能家居控制器經(jīng)2個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及2條有線通信線路與外部設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

智能家居控制器內(nèi)部裝有手機(jī)模塊，通過(guò)GSM（GPRS、CDMA）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，與用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向短消息收發(fā)。用戶可通過(guò)手機(jī)短消息實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的電源開(kāi)關(guān)控制以及調(diào)光、調(diào)速控制；控制器以手機(jī)短消息的形式向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報(bào)警用。

控制器內(nèi)部裝有1個(gè)ZigBee模塊，通過(guò)Zig2Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與家居中的監(jiān)控裝置進(jìn)行通信，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）來(lái)使用。它負(fù)責(zé)組建智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令，并做出相應(yīng)地處理。同時(shí)還要將從路由節(jié)點(diǎn)（FFD）或終端節(jié)點(diǎn)（RFD）接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3類：第一類為開(kāi)關(guān)與插座，最簡(jiǎn)單的插座通過(guò)小電子開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器（如電飯煲、飲水機(jī)、電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電動(dòng)窗簾以及不需要調(diào)光的燈具）的電源開(kāi)關(guān)控制；較復(fù)雜的智能開(kāi)關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能，用于吊燈、落地臺(tái)燈的調(diào)光或電風(fēng)扇的調(diào)速等。第二類為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏，還有手動(dòng)報(bào)警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)病）的報(bào)警。這些節(jié)點(diǎn)都帶有ZigBee模塊，作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)（RFD）。第三類為手持遙控器，除實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器開(kāi)關(guān)控制、調(diào)光調(diào)速控制外，還具備照明場(chǎng)景設(shè)定與控制功能。

若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡(luò)和門禁對(duì)講系統(tǒng)，控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對(duì)講系統(tǒng)的室內(nèi)主機(jī)的功能。

控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪客的圖像畫(huà)面，與訪客進(jìn)行對(duì)講或開(kāi)鎖操作。此外，控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息；當(dāng)室內(nèi)發(fā)生意外時(shí)，可向小區(qū)物管發(fā)送報(bào)警信號(hào)。控制器備有互聯(lián)網(wǎng)接口，供用戶在異地時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運(yùn)行，也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件。下一代互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)世將為此項(xiàng)功能的應(yīng)用提供極大的支持，到那時(shí)，每個(gè)家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址，從而成為網(wǎng)絡(luò)中的一員。

ZigBee的簇狀網(wǎng)絡(luò)綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)組成簇狀網(wǎng)絡(luò)。它具有良好的可擴(kuò)展性，對(duì)于大戶型或別墅用戶而言，可以通過(guò)增加路由節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；對(duì)于小戶型的用戶而言，可以通過(guò)減少路由節(jié)點(diǎn)變成星型網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)省能量、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.2 能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 能家居控制器簡(jiǎn)介

智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器。其組成框圖如圖3所示，它以嵌入式處理器為中心，由手機(jī)模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。智能家居控制器是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的控制中心，其硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央處理器。從功能、可擴(kuò)展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮，我們選擇功能強(qiáng)大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器，存儲(chǔ)器選用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

在人機(jī)接口方面，采用5英寸的TFT液晶屏，并配置相應(yīng)的觸摸屏。可用于顯示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息，并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備。另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C總線接口設(shè)計(jì)鍵盤(pán)接口，從而可擴(kuò)展各種控制、報(bào)警方式。控制器有2個(gè)通信模塊：手機(jī)模塊和ZigBee模塊。手機(jī)模塊由主機(jī)模塊、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片（GPRS模塊）。與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，通過(guò)使用AT命令完成對(duì)該模塊的操作，實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息，通過(guò)RS-232接口與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

控制器配有以太網(wǎng)接口，配合控制器上建立的Web服務(wù)器，用戶可通過(guò)Internet完成對(duì)家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控。圖3中的RS-485接口用于與小區(qū)物管的通信（與原有的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)配合。若為新建小區(qū)，可直接使用以太網(wǎng)接口）。利用MAX3232將ARM9的兩個(gè)USART收發(fā)器，組成兩個(gè)RS-232端口和一個(gè)RS-485端口。

音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS總線接口與外部音頻數(shù)字信號(hào)編碼器芯片（UDA1341TS）組成。視頻接口采用中芯微的DSP芯片，將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進(jìn)制圖像流，經(jīng)處理后送LCD屏顯示。

2.2.2 能家居控制器中的Zigbee模塊

ZigBee模塊采用全功能設(shè)備（FFD）類型，它在智能家居系統(tǒng)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，可提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU （8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、AES - 128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。

CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27mA ；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

CC2430帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口，通過(guò)此通信接口中的一個(gè)，S3C2410X處理器可以對(duì)CC2430進(jìn)行寫(xiě)入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。CC2430芯片集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時(shí)，芯片還采用了CS2MA - CA技術(shù)來(lái)避免數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來(lái)計(jì)算，價(jià)格便宜，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。

控制器通過(guò)RS-232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息。

2.3 能家居控制器的功能

智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開(kāi)源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)裁減后移植到控制器硬件平臺(tái)上。該智能家居控制器將Linux，ARM系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee模塊組成一個(gè)整體，構(gòu)成了一個(gè)功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點(diǎn)的無(wú)線連接。智能家居控制器的功能為

采用ARM架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器和開(kāi)源的嵌入式linux操作系統(tǒng)；是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)；遇盜搶或疾病，按緊急按鈕，自動(dòng)向管理中心報(bào)警；以家庭為單位配置，利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)；利用ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)（火災(zāi)、煤氣泄漏等），并自動(dòng)通過(guò)手機(jī)模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心；通過(guò)以太網(wǎng)（或RS - 485）與小區(qū)管理中心通信；通過(guò)控制器上的無(wú)線ZigBee模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，對(duì)多種家電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制；用戶可通過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

智能家居控制器通過(guò)ZigBee模塊采集各種家用電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并將各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中；對(duì)故障報(bào)警優(yōu)先處理，通過(guò)手機(jī)模塊自動(dòng)發(fā)送短信息到用戶手機(jī)或者小區(qū)物管，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便對(duì)各種信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析和統(tǒng)計(jì)。在這里數(shù)據(jù)庫(kù)成為了連接前后臺(tái)的中間件，存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地LCD顯示，同時(shí)接收瀏覽器和本地鍵盤(pán)輸入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運(yùn)行狀態(tài)的上傳；同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還需實(shí)現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計(jì)和查詢。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite以滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。

控制器的軟件主要分為4個(gè)模塊：與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報(bào)警程序、本地的人機(jī)交互程序和遠(yuǎn)程控制程序。為了使用用戶可以在Internet上通過(guò)瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò)，需要在控制器（數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)）上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進(jìn)行通信，并通過(guò)CGI接口調(diào)用后臺(tái)CGI程序。CGI程序在Web服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系，調(diào)用具體的控制程序、實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的制定操作。它監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地的都能知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的，使用戶可以隨時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)的狀況，如設(shè)備的加入退出、設(shè)備的故障等等。

3.ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率的無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺。智能家居在控制器硬件由先進(jìn)的ARM9嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee模塊組成；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux，家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，安全性好，系統(tǒng)功能完善，能夠適應(yīng)今后智能家居發(fā)展的需要。

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