基于ZigBee無線通信的智能家居系統設計

摘 要：本文提出了一種基于ZigBee無線通信技術的智能家居系統的設計及實現方案，采用了以控制系統為中心、ZigBee無線傳感網絡為外圍通信網絡的結構來構建整個智能家居系統，解決了傳統總線方案的不足。

關鍵詞：ZigBee；家庭網關；智能家居系統

傳感器網絡[1]、無線通信技術以及家庭計算機是智能家居系統設計的核心。智能家居是在家居設備數字化的前提下，以家庭網絡化為基礎達到家庭智能化的目標。家庭內部組網是將一個個家居子系統互聯起來形成一個網絡，實現設備節點間的信息交換和資源共享，使得智能家居系統成為一個有機的整體，本文從應用角度闡述了基于ZigBee無線通信技術的智能家居系統的現實意義。

1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低速率、低功耗、低成本、高可靠性的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸。無線網絡技術的靈活安裝及可移動性特點，使其越來越多地被應用于智能系統中。現有的無線通信技術主要有藍牙、WiFi等，ZigBee 無線通信與它們相比如表1所示。

表1 ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi比較

技術指標ZigBee藍牙Wi-Fi

網絡節點64000732

傳輸速率（Mbit/s）25011

能耗低較高高

工作頻率（GHz）2.42.42.4

通信距離（m）10-7510100

2 智能家居系統

與傳統家居系統孤立、靜態、被動的特性相比，智能家居有三大優勢：第一，是一個有機的整體。將家庭內部各子系統之間聯系起來，并使家庭與外界聯系起來；第二，是一個動態的系統。如人們忘記關窗，每逢刮風下雨便會擔心，如果窗戶能夠動態的感應到天氣變化，刮風下雨時可以自動關閉，人們便不會有這樣的擔心；第三，是一個能動的系統。系統不只是被動的接收控制指令，同時還會根據環境的變化和用戶的習慣喜好自動做出相應的調整，從某種程度上體現出智能性。

智能家居系統一般包括3個部分，即家庭內部網絡、家庭外部網絡以及家庭網關[2]。用戶可以利用智能終端、個人電腦等通過互聯網、3G、GPRS等網絡登錄到家庭網關，進而通過家庭控制器（協調器）利用無線射頻技術控制設備節點并接受來自設備節點傳感器的信息。組建家庭內部網絡使家里的電器、數字設備等聯系起來，配置相應的協議使得各設備節點之間可以進行信息交換和資源共享。智能家居系統的總體架構如圖1所示。

2.1 家庭網關的作用

家庭網關是用來實現基于ZigBee協議體系構建的家庭無線網絡與外部的TCP/IP網絡、GPRS、3G之間的不同協議轉換的，完成不同網絡體系的互聯。從整個系統的結構上看，家庭網關是家庭內部無線網絡與外部網絡之間的連接點。

2.2 分布式家庭控制網絡

在構建家庭網絡的過程中采用基于ZigBee技術的分布式控制網絡[3]。在這種網絡中具有兩個以上的控制器，這些控制器在網絡中扮演著同樣重要的地位，可指定其中的一個控制器作為總的網絡協調者。因為各個控制器是平等的且每個控制器都有自己一定有限的工作范圍，所以當一個控制器因故障無法正常工作的時候，只是影響了它管轄下的本地設備及相關的一些非本地設備的工作，不會導致整個系統陷入癱瘓而無法工作的狀態。這既是分布式控制網絡最突出的優點，也是非常符合智能家居控制的特性。

3 系統硬件設計

系統硬件的設計主要包括家庭網關和各設備節點應用模塊的設計。

3.1 家庭網關的設計

網關的硬件設計是以 MPC850微處理器為核心構建的，根據智能家居的實際需求實現了以太網、RS485、USB 接口、RS232 等。具體的電路不同模塊的設計包括Flash內存設計、串行接口設計、復位電路設計、時鐘電路設計、USB接口設計和電源設計等部分。由于Flash和Boot ROM分別采用16位和8位口，Boot ROM連接WE0、Flash連接WE1。可通過RESET進行復位，系統上電時復位Flash和Boot ROM。以太網MAC采用MPC850模塊的 SCC2。系統上包括以下幾種復位源：MPC850內部復位、調試口復位、復位按鈕復位、主電源復位。家庭網關是5V直流電源供電，當設備需要3.3V電源時，通過DC-DC將5V轉換為3.3V。

3.2 各設備節點應用模塊的設計

采用盛方SF-CC2430模塊進行。SF-CC2430模塊采用了德州儀器（TI）ZigBee射頻芯片CC2430-F128，片上集成了高性能8051內核、ADC、USART等，同時支持 ZigBee協議棧。本文以窗簾自動化控制為例，簡單介紹各設備節點應用模塊的設計。該模塊實現窗簾的自動控制功能，如圖2所示。通過家庭控制器（協調器）主節點將來自于上位機（智能終端、PC）的步進電機控制指令發送到步進電機控制設備分節點，再由設備分節點控制步進電機的運行狀態（時間、方向以及速度等）。

4 系統軟件設計

只有在用戶智能終端，如手機、個人電腦、遙控器等其他設備上進行應用軟件設計，才能真正形成具有實際應用價值的整個智能家居系統[4]。本文以典型設備程序流程為例，討論智能家居子系統軟件開發的的主程序的運行流程。圖3為家庭控制器的程序運行流程圖。圖4為設備節點的程序運行流程圖。

5 結束語

提出基于ZigBee技術的無線通信技術智能家居的解決方案，完成了系統架構、硬件、軟件設計，以電動窗簾自動控制、家庭控制器程序流程和設備節點程序流程為例詳細探討了系統硬件和軟件的設計。

[參考文獻]

[1]王雪.無線傳感器網絡測量系統[M].北京：機械工業出版社，2007：：37-324.

[2]馬倩倩.ZigBee無線通信網絡技術在智能家居中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2007：34-42.

[3]張亮.基于ZigBee技術的智能家居環境監測系統[D].武漢科技大學碩士學位論文，2009.

[4]蔣建輝.ZigBee網絡設計與實現[D].蘇州：蘇州大學出版社，2006：22-29.