基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)

摘要：為了滿足手機短信遠程控制家電設備的需要，應用GR64和CC2430為核心開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能化短信遠程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要由短信(SMS)收發(fā)模塊、紅外收發(fā)模塊、微處理器模塊、存儲模塊和供電模塊等組成；軟件部分給出了ZigBee無線通信協(xié)議的工作原理、家庭網(wǎng)關的設計流程。試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的可擴展性、低成本、低功耗、低延時、低復雜度等特點，在智能家居系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：智能家居；家庭網(wǎng)關；紅外線通信；SMS ZigBee GR64；CC2430

0 引言
智能家居(Smar Home)又稱智能住宅。智能家居是以家為平臺，兼?zhèn)渥詣踊?、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利、節(jié)能的住宅環(huán)境。智能家居系統(tǒng)是將家庭中各種與信息有關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術聯(lián)網(wǎng)，進行有效的控制和信息交換，同時將家庭網(wǎng)絡與外網(wǎng)相連，利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對家居的遠程控制。雖然智能家居的概念已提出多年，但是由于相應的通信技術及應用領域的發(fā)展速度緩慢，一直沒有走向實用化。隨著傳感器技術、半導體制造技術、嵌入式微處理技術等的快速發(fā)展，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee技術的興起與成熟和GSM網(wǎng)手機用戶的日益普及，使得無線傳感器網(wǎng)絡在遠程環(huán)境監(jiān)控、自動抄表、醫(yī)療護理、智能家居、遠程工業(yè)和交通控制等領域提供了切實可行的應用方案，標志著在不久的將來智能家居將真正地進入人們生活的各個方面。ZigBee模塊可以安裝在遙控器、電燈、電視、風扇、空調、微波爐、煤氣爐、門禁系統(tǒng)和其他各種家電設備中，實現(xiàn)家居的照明、溫／濕度、安全和電氣智能控制，通過ZigBee終端設備還可以收集家居的各種信息，傳送到家庭網(wǎng)關；或者通過遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活的自動化、網(wǎng)絡化和智能化。隨著智能化家電設備的廣泛應用，人們迫切需要隨時隨地的了解并控制家電設備的運行狀態(tài)。本文結合用戶的實際需求，給出了一個基于ZigBee技術的家居遠程控制系統(tǒng)的設計方案，用戶可以使用手機發(fā)短信通過家庭網(wǎng)關對室內所有的家電設備進行遠程控制。

1 ZigBee技術
ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟制定的面向低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(LR-WPAN)的雙向無線通信技術標準，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層使用IEEE802.15.4標準，網(wǎng)絡層和應用層由ZigBee聯(lián)盟定義。與Wi—Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無線接入技術相比，ZigBee具有的優(yōu)勢如下：
(1)低功耗：工作模式下非常省電，并且支持休眠狀態(tài)；
(2)低速率：ZigBee工作在3個免執(zhí)照的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)療)頻段上分別具有250 Kb／s(2．4 GHz)、40 Kb，／s(915 MHz)和20 Kb／s(868 MHz)三種不同的峰值數(shù)據(jù)速率；
(3)低成本；
(4)組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡容量大：ZigBee可采用星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)；
(5)短距離：傳輸范圍一般介于10～100 m之間；
(6)安全可靠性高，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權認證功能，采用AES-128加密算法，同時采取碰撞避免機制。
ZigBee網(wǎng)絡中的三種邏輯設備類型：ZC(ZigBee協(xié)調器)、ZR(ZigBee路由器)和ZED(ZigBee終端節(jié)點設備)。每個網(wǎng)絡都必須包括一個ZC。協(xié)調器的主要功能是建立網(wǎng)絡、傳輸網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息和路由信息等。ZR既具有ZED的接入功能，又具有路由功能，可以作為遠程設備之間的中繼器來拓展網(wǎng)絡的范圍，負責搜索可用的網(wǎng)絡、傳遞或轉發(fā)與其連接的ZR或ZED的數(shù)據(jù)。ZED無路由功能，它和ZR可以從ZC或從任何已經(jīng)進入網(wǎng)絡的ZR處獲得有關網(wǎng)絡的信息，據(jù)此設置操作參數(shù)，加入網(wǎng)絡。
ZigBee網(wǎng)絡中的三種拓撲結構：星型拓撲、樹型拓撲和網(wǎng)狀拓撲，如圖1所示。

(1)星型拓撲：節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有惟一的一條路徑。
(2)樹型拓撲：當從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調器節(jié)點，然后再向下傳遞到目標節(jié)點。
(3)網(wǎng)狀拓撲：網(wǎng)狀拓撲結構是一種特殊的、按多跳方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結構，其路由可自動建立和維護，并且具有強大的自組織、自愈功能。網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復雜的網(wǎng)絡，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模。
IEEE 802．15．4標準定義了兩種物理設備類型，F(xiàn)FD(全功能設備)和RFD(半功能設備)。FFD是具有路由功能的節(jié)點，可以實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡的任意一種邏輯設備類型，它能與RFD或其他FFD通信。RFD只能充當ZED，不具備路由功能，只能選擇性地加入已形成的網(wǎng)絡，只能與FFD通信，使用最少的資源和存儲器空間。
家庭智能控制(如照明、遙控裝置、水電氣計量及報警、PC機外設的無線連接等)具有這些方面的特點：傳輸數(shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速度，網(wǎng)絡的容量要大，家庭中的各種設備多，易部署擴展性靈活性高，信息的實時性要好，時延要短，成本要低。ZigBee技術的特點決定了其能很好地滿足家庭網(wǎng)絡節(jié)點通信的需求。