基于ZigBee的智能家居系統

國防科學技術大學 宋國鵬 周云峰 朱夢宇

1.引言

隨著社會的高速發展，人們對于生活品質的要求也越來越高，已經開始考慮如何將智能控制技術應用于日常生活，如實現家中電器的智能控制，遠程監護家中的老人、小孩，自動的預警、提示可能會出現的危險等。

在技術層面，智能家居系統需要大量的數據采集節點，并且要求多種網絡之間的有效互聯，還對電纜的使用有所限制。近年來，無線通信技術的飛速發展使得這些難題得以解決[1][2]，在現實需求與技術發展的推動下，各種針對不同應用方向的智能家居系統應運而生。但隨著研究的深入，系統續航能力、可擴展性、安全可靠性等越來越多的現實問題逐漸凸顯，對系統數據接口的開放性，數據傳輸的實時性以及數據鏈接的安全性等方面提出了更高的要求。

2.幾種無線傳輸技術的比較

2.1 幾種常見的無線傳輸技術

目前主要的無線通信技術主要有藍牙，Wi-Fi，紅外，以及ZigBee技術。在組件網絡方面幾種技術各有特色。相比之下，ZigBee技術是一種相對低功耗，低速率，通信范圍相對較大的通信技術。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線通信技術望塵莫及的。而ZigBee技術較大的網絡容量，也為智能家居系統需要的龐大的數據采集節點奠定了基礎。同時ZigBee模塊成本低廉，每個模塊僅有6美元，適合大規模組網使用[3]。

2.2 ZigBee技術的優勢及其應用

ZigBee從一開始就被設計用來構建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數表等設備的無線網絡。這是由其主要技術特點決定的[4]：

(1)數據傳輸速率低：只有10k字節/秒到250k字節/秒，專注于日常家居生活的低傳輸應用。

(2)功耗低：在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用六個月到兩年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的研發者所一直引以為豪的獨特優勢。

(3)成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，且免收專利費，大大降低了成本。

(4)網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持255個設備。

(5)時延短：通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。

(6)安全性：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES一128加密算法。

(7)有效范圍：有效覆蓋范圍10~1000米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

(8)工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。

而與之相反，目前其它無線通信技術基本上只是被設計作為有線傳輸的替代品，為手機和附近的耳機或PDA聯網使用。這些技術可以在不充電的情況下工作幾天或者幾周，但無法滿足更長時間的續航要求。

一般情況下，藍牙設備需要人工手動配置和維護網絡連接;它可以用來有效地處理8個設備(一個主設備和7個從設備)之間的數據傳輸服務，如果更多的話，通訊速率則顯著下降。而802.11（Wi—Fi）也有類似的問題，雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網絡的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。ZigBee無線傳感器網絡的上述特點使其在個人生理信號監測和遠程家庭監護方面將有很好的應用前景［5］。

3.基于ZigBee的智能家居系統的架構

3.1 智能家居系統的基本組成

智能家居系統需要考慮能耗、覆蓋面積、傳輸速率和多網互聯等因素。本研究采用基于Zigbee技術的無線網絡實現對家用電器的監控，生理信號的采集，并結合Internet和GSM／CDMA網絡通信技術實現對日常家居系統的遠程智能監控。

其中，人體生理信號監護系統利用搭載傳感器的便攜式可編程擴展模塊作為采集終端，家用電器監控系統利用嵌入其中的控制模塊同時作為控制與數據采集終端，均通過ZigBee網絡將數據傳送至數據處理中心。數據處理終端可以通過互聯網或者GSM／CDMA網絡和一般普通的移動終端（如手機）通信。用戶可以通過短信指令等方式對系統中的設備進行遠程監控，也可以隨時隨地了解到家中老人小孩的生理參數，并且可以及時收到突發狀況的報警，利用事先設定閾值函數的方式制定一系列的系統響應動作，以實現智能控制的目的。

3.2 網絡的拓撲結構

ZigBee協議的網絡拓撲結構有三種類型：星形結構、網格狀結構和樹狀結構。

考慮在智能家居系統中，數據采集節點可能分布在多個房間之中，但它們都需要將采集到的數據發送到數據處理節點。因此，我們的系統采用星型拓撲結構。由一個中心節點依次輪詢每個數據采集節點，當數據采集節點被詢問到時，將數據傳輸給中心節點。

3.3 智能家居系統體系結構

基于上述分析，本文設計的智能家居系統體系結構如圖1所示：

整個系統分為三部分，家用電器監控系統用于采集環境參數以及控制家居設備，如采集室溫，二氧化碳濃度，智能切斷總電源等。人體生理信號監護系統用于采集人體參量，如采集人體體溫，脈搏，血氧濃度等。由這兩部分所采集的數據通過ZigBee網絡傳送到數據處理節點，通過數據處理節點將數據發送到數據處理服務器，經過計算并與閾值進行比對提取出有效信息，再連接至Internet或GSM/CDMA網絡與遠程用戶終端通信。遠程用戶終端收到家中的數據后，可以向數據處理服務器發出反饋指令。數據處理服務器在接到反饋指令后，通過數據處理節點與數據采集節點通信，將用戶指令傳達至相應的控制電路，實現家中設備遠程控制和環境調節。

3.4 智能家居系統的實現

Zigbee CC2430節點，是ZigBee模塊和各種傳感器的載體，我們以其作為智能家居系統中的主要組成部分。CC2430節點的核心是一塊工業級8051單片機，封裝了ZigBee模塊。擁有21個可編程I/O引腳以及一個串口。作為前端節點是可以搭載豐富的數據采集傳感器，作為中心節點是可以通過串口和數據處理服務器通信，并且通過睡眠模式可以最大限度的節約電量，提高續航能力。

我們通過二氧化碳傳感器(S-100)和溫度傳感器(DS18B20)采集環境參量。各種數據采集傳感器封裝好了可以根據用戶的需求直插在前端采集節點上。可以根據現實環境進行靈活的組合，實現單個節點完成多重復雜任務。

圖1 智能家居系統體系結構

封裝好的人體生理信號監護系統，將集成了脈搏和體溫數據采集，并且設置了按鈕可以方便使用者在危急情況下發出求救信號。該模塊集成了體溫和脈搏采集功能，制作成了穿戴式設備。對日常生活影響小，便于時刻對生理參數進行記錄。發生緊急情況時除了可以自動報警之外，在未發生狀況時，如果被監護人感覺不是可以通過按鈕發出信號。

4.總結

ZigBee技術的眾多優點都很適合智能家居這個應用背景。其低功耗，短距離低速傳輸功能使得它在日常家居環境中的應用游刃有余。通過和互聯網以及GSM/CDMA網絡的互聯使得用戶能夠在千里之外，實現對于家中各種設備的遠程操控。試想一下，勞累了一天，下班回家路上一個短信就可以讓空調預熱，熱水器工作或者家里老人孩子的健康出現突發情況時自己和醫院就能第一時間收到求助信號等，這樣的生活必將使人倍感便捷。

[1]Akyildiz I F,Cayirci E.Wireless sensor networks:a survey.Computer Networks,2002.

[2]Malan D,Jones T F.An Ad Hoc sensor network infrastructure for emergency medicate international workshop on wearable and implantable body.Sensor Networks,2004(4).

[3]原羿,蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件,2004(6).

[4]顧瑞紅,張宏科,基才ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用.

[5]Thaddeus R F,Fulford J,Gu Y W.A portable lowpower,wireless two-lead EKG system.In:Proceedings of the 26th annual international conference of the IEEE EMBS,San Francisco,CA,USA,2004.