ARM處理器和ZigBee的智能家居解決方案

張 瑤，侯遠韶

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州451150)

0 引言

隨著生活水平的日益提高，人們對生活環(huán)境的舒適性、安全性和效率性提出了更高的要求。近年來，嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，將家庭中的家用電器、照明設(shè)備、安防設(shè)備等集成于一體，智能家居應(yīng)運而生［1］。為了將系統(tǒng)有機的整合到一起，又具有擴展性能好、功耗低等特點，ZigBee無線傳輸協(xié)議被廣泛應(yīng)用在智能家居的設(shè)計中。其可實現(xiàn)網(wǎng)狀拓撲復(fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，使家居中的每個部分都是一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，相互獨立又相互連接，然后通過協(xié)議統(tǒng)一管理。這種方案將傳統(tǒng)意義的智能家居又帶入了另一個高度和領(lǐng)域，其高度的可靠性及低成本低功耗等特點被人們廣泛認可。今后的智能家居會是家居裝修中必不可少的一部分。

1 傳統(tǒng)的智能家居解決方案

1.1 傳統(tǒng)智能家居控制方案

傳統(tǒng)的智能家居采用單片機作為主控制器，外接各種傳感器，使用PC機作為監(jiān)控設(shè)備，實時監(jiān)控家中的各種狀態(tài)，更高級一點的外加一個GPRS模塊，與用戶手機進行綁定，將報警信息及時發(fā)送到用戶手機以便查看。但是此種方案中每個模塊都是獨立的，而沒有形成一個網(wǎng)絡(luò)，加之單片機引腳數(shù)量、處理速度以及穩(wěn)定性的限制，其擴展性能較差，早已在智能家居領(lǐng)域被替代［2］。

1.2 傳統(tǒng)智能家居網(wǎng)絡(luò)方案

目前的智能家居網(wǎng)絡(luò)大多采用藍牙，Wi－fi，RFID射頻等技術(shù)。

藍牙是一種支持點對點的近距離通信的無線技術(shù)，支持手機、ipad、無線耳機、個人電腦以及相關(guān)外設(shè)等具有藍牙功能的設(shè)備之間進行無線信息交換。但其通訊距離太短(傳統(tǒng)距離只有10米，升級的PowerClass1距離可達100米)，同時穩(wěn)定性不夠，已經(jīng)不能滿足智能家居的設(shè)計要求［3］。另外藍牙采用配對機制，通信的雙方必須通過同一個密鑰才能進行通信，一定程度上降低了通信效率，并且安全性也不高，很容易解密，其組網(wǎng)能力和抗干擾能力都不夠，更沒有網(wǎng)絡(luò)自愈功能，同時很容易被干擾。所以其在智能家居中并不是一個很完美的解決方案。

Wi－Fi對于我們并不陌生，其中文名為無線保真，其實它就是一個高頻無線電信號，可以將手持設(shè)備、電腦等以無線方式相互連接起來，也是一種短距離無線傳輸技術(shù)。其遵循IEEE802.11b的協(xié)議［4］。它的最大貢獻就是人們可以隨時隨地連接到互聯(lián)網(wǎng)。但對于智能家居應(yīng)用來說Wi－Fi有兩個致命的缺陷:威脅健康安全和信息安全，加之其功耗高、組網(wǎng)能力差、自修復(fù)能力差。因此Wi－Fi雖然在我們的生活中不可或缺，但在智能家居的應(yīng)用中，Wi－Fi只是起到了輔助的作用。

RFID全稱Radio Frequency Identification，中文名稱無線射頻識別，是一種基于星型網(wǎng)絡(luò)的短距離點對點通訊技術(shù)，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，通常應(yīng)用在POS機、超市、公交卡當中［5］。在主控制器和從設(shè)備之間距離過遠的情況下，需要額外添加信號中繼器，不僅增加了成本也增加了開發(fā)的難度。其安全性普遍較差，并且不能夠自動組網(wǎng)、自動識別。經(jīng)過一段時間的測試，其在智能家居中的應(yīng)用并不能讓人們所滿意，已經(jīng)不是大多數(shù)廠商選擇的方案。

2 ZigBee簡介

ZigBee是一種可靠性高，通訊距離可以達到幾百米甚至幾公里，新興的低速率無線通信技術(shù)，現(xiàn)主要應(yīng)用于無線傳感控制應(yīng)用領(lǐng)域(Sensor and Control)。針對IEEE僅能處理低級MAC層和物理層協(xié)議的弊端，ZigBee聯(lián)盟在通信協(xié)議基于IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上進行了拓展，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化。它依據(jù)獨有的協(xié)議標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)千個微小的傳感器間的協(xié)調(diào)傳輸。它通過協(xié)調(diào)器間彼此互聯(lián)、協(xié)調(diào)器與節(jié)點相連的方式，組成多個內(nèi)部交叉式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，每個協(xié)調(diào)器最多可連接255個節(jié)點，并可根據(jù)需要增加路由數(shù)目以進行拓展，提高了ZigBee的兼容性。ZigBee所展現(xiàn)出來的低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、高安全等優(yōu)勢特點，使其在自動控制和遠程控制等領(lǐng)域具有很高的適用性和兼容性。

ZigBee協(xié)議包括物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等多級層級結(jié)構(gòu)。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定［6－8］。其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)原理圖

3 方案設(shè)計

本文設(shè)計的無線智能家居控制系統(tǒng)采用三星公司S3C2440處理器為主控制器，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)家電的數(shù)字化管理。系統(tǒng)將家用電器、照明系統(tǒng)、窗簾、門禁及各類傳感器等通過ZigBee無線通信技術(shù)建立家庭無線局域網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)通過計算機、手機等移動終端對其進行遠程控制，實現(xiàn)家電的信息化、智能化管理。為便于理解分析，可將系統(tǒng)分為由家電設(shè)備組成的內(nèi)部系統(tǒng)和移動控制終端組成的外部系統(tǒng)兩個模塊，而整個系統(tǒng)的核心則是內(nèi)部系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)，它不僅負責(zé)內(nèi)部與外部之間的相互通信，而且通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)對無線傳感器節(jié)點進行實時監(jiān)控和管理。系統(tǒng)將門禁控制、可視對講、門鎖等一系列安全設(shè)施進行有機整合，通過安裝在室內(nèi)的紅外探測傳感器、水位傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器等各種傳感器對各項指標進行實時監(jiān)測，并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)與ARM控制器進行實時通信連接。當CO濃度、燃氣濃度、水位高度等超過預(yù)先設(shè)定的標準值的時候，傳感器即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)告知ARM控制器，ARM控制器根據(jù)信號做出關(guān)掉水龍頭，關(guān)閉燃氣閥門等相應(yīng)處理，并且將信息實時發(fā)送到用戶移動終端。系統(tǒng)同時可以利用計算機和移動終端通過以太網(wǎng)對內(nèi)部家電系統(tǒng)進行遠程操作并對室內(nèi)環(huán)境進行遠程監(jiān)控，如在未進入家門之前定時或提前開啟空調(diào)、熱水器或照明系統(tǒng)，出門旅行出差時實時監(jiān)控家里安保狀況等，以適應(yīng)現(xiàn)代人快速的生活節(jié)奏和日益周密的安全問題。除計算機外，系統(tǒng)同時支持智能手機、掌上電腦等移動終端設(shè)備進行外部控制，以此提高系統(tǒng)的實用性和便利性。方案總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

CC2530芯片是用于2.4－GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE 應(yīng)用 的一個片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，其低廉的成本使得系統(tǒng)可以建立全方位的高覆蓋率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以此進行全面細致的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)由多個ZigBee節(jié)點組成無線局域網(wǎng)，用戶由遠程控制端發(fā)來的控制信息，經(jīng)過處理發(fā)給上述無線局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點根據(jù)信息中的地址信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)設(shè)備上的無線節(jié)點，從而實現(xiàn)對家電等設(shè)備的控制和家庭環(huán)境的監(jiān)測。ZigBee節(jié)點的硬件連接框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee節(jié)點的硬件連接框圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

該部分是整個系統(tǒng)的核心，主控制器S3C2440一方面通過串口(UART)與內(nèi)部系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器相連;一方面通過網(wǎng)口與外部系統(tǒng)相連，實現(xiàn)家電或傳感器信號、協(xié)調(diào)器節(jié)點、主控制器、無線控制終端間的數(shù)據(jù)信息交互傳輸，相當于系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。在這一部分中，需要對無線控制終端進行操作系統(tǒng)移植，嵌入式服務(wù)器搭建等內(nèi)容進行設(shè)計。

3.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要將家中的各種傳感器以及監(jiān)控設(shè)備采集到的各種模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與之前設(shè)定的標準值進行對比，一旦超限即發(fā)聲報警并將信息傳送到無線控制終端。

4 結(jié)語

本文首先對傳統(tǒng)的智能家居解決方案和ARM處理器和ZigBee的智能家居方案進行了闡述與對比，展示出ZigBee的解決方案具有兼容性好、自組網(wǎng)能力強、可擴展性好等優(yōu)勢。接著給出了一種基于ZigBee和ARM處理器的智能家居設(shè)計方案，此方案具有穩(wěn)定性好、方便快捷等優(yōu)點，是現(xiàn)代社會人們生活居住和辦公必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。

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