基于Zigbee無線技術(shù)的家用電器自動控制的研究

摘 要：隨著時代的發(fā)展，人們對于日常生活的智能化要求越來越迫切。隨著上世紀(jì)80年代美國康乃迪克州哈特佛市的第一棟智能建筑稍微的誕生，全世界掀起了智能家居的建設(shè)熱潮。當(dāng)今時代可以說是信息時代，當(dāng)今時代最重要的特點(diǎn)就是信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)的帶寬每半年的發(fā)展速度倍增。寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的日益普及，信息高速公路的最后一個問題已經(jīng)得到解決。目前智能家電正在不斷普及，大多數(shù)智能家電都有自動控制部件，即所有的信息已經(jīng)數(shù)字化，這為家電的網(wǎng)絡(luò)化打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：嵌入式ARM；Zigbee；家電控制

1 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

在歐洲，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的核心主要是指建設(shè)的多媒體家庭平臺，它的核心是電視網(wǎng)絡(luò)，利用機(jī)頂盒對衛(wèi)星廣播和有線信號的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)完整的電子商務(wù)，銀行的交互式操作轉(zhuǎn)讓等服務(wù)。美國數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)主要是在運(yùn)營商帶動的情況下提供智能信息服務(wù)。英國電信利用家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)控制數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)可以為用戶提供有線，無線上網(wǎng)，調(diào)制解調(diào)器，防火墻，家長控制等服務(wù)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我們的家庭網(wǎng)絡(luò)處于起步階段，隨著家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的成熟，在國內(nèi)的發(fā)展家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)顯示以下特點(diǎn)：（1）市場潛力。因為房地產(chǎn)是熱點(diǎn)，因為其下游產(chǎn)業(yè)的一部分，家庭網(wǎng)絡(luò)市場前景非常樂觀。（2）市場競爭的無序階段。家庭網(wǎng)絡(luò)行業(yè)正處于導(dǎo)入期，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)產(chǎn)品都是相似的。（3）市場是一個需要逐步培育和引導(dǎo)階段。大規(guī)模的價格戰(zhàn)，廣告戰(zhàn)，服務(wù)戰(zhàn)還沒有爆發(fā)，比較分散，市場認(rèn)知和接受，市場占有率不高。與服務(wù)供應(yīng)商爭先恐后的產(chǎn)品相比，智能家居產(chǎn)品到用戶終端的步伐有點(diǎn)慢。（4）為面向家庭網(wǎng)絡(luò)市場的巨大需求，市場區(qū)域存在不均衡的狀態(tài)。

1.3 智能家庭的問題與發(fā)展趨勢

智能家居的發(fā)展面臨著以下四個主要方面的問題：（1）產(chǎn)品成本：目前的高價位的智能家居市場。（2）系統(tǒng)功能。復(fù)雜的操作系統(tǒng)，產(chǎn)品性能缺乏穩(wěn)定性和可靠性。（3）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：設(shè)備廠商的接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議有很大的不同，使他們生產(chǎn)的家庭設(shè)備不能與智能家居系統(tǒng)兼容更好。（4）售后服務(wù)：中國的智能家居廠家配套還不成熟，未能形成售后服務(wù)匹配系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)問題時，該產(chǎn)品銷售和維修是不能夠滿足用戶的需要。

未來的智能家居管理終端將基于嵌入式Linux，Android和Windows系統(tǒng)操作平臺，通過觸摸屏接口，實(shí)現(xiàn)家電、窗簾、安防等家居環(huán)境控制。通過智能手機(jī)或平板電腦上安裝智能家居客戶端軟件，用戶可實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 智能家居的功能

智能化家電控制就是通過自動化的家居智能管理系統(tǒng)來控制所有家電。家電智能控制系統(tǒng)由安全控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)三方面組成。

智能家居基本控制功能及實(shí)現(xiàn)方式：（1）遙控功能。所有家電設(shè)備的開關(guān)可以由一個智能遙控器來控制，這個遙控器可以是手機(jī)、電腦等移動通信設(shè)備。（2）感應(yīng)延時開關(guān)。在廚房、衛(wèi)生間設(shè)置感應(yīng)延時開關(guān)，有人在時感應(yīng)燈通過感應(yīng)開啟，無人在時感應(yīng)燈通過感應(yīng)熄滅。（3）網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能。一個開關(guān)可以控制整個網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)可以控制任意電路。其控制對象可以設(shè)置和輕松更改全開全關(guān)、場景設(shè)置、復(fù)雜的多交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作功能。

2.2 Zigbee無線通信技術(shù)

無線技術(shù)逐漸取代有線技術(shù)，科學(xué)技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢。有短距離無線IEEE802.11，藍(lán)牙，WIFI等一般成熟的技術(shù)領(lǐng)域，雖然他們有自己的優(yōu)勢，但功耗高，較差的自組網(wǎng)能力。2004年ZigBee聯(lián)盟引入ZigBee技術(shù)，其主要基于IEEE802.15.4 PHY和MAC層，它具有成本低、功耗低、自組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，并具有其他協(xié)議不具備的自愈能力。

IEEE802.15.4 定義了星型拓?fù)渑c對等拓?fù)鋬煞N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

ZigBee的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）通信速率低、協(xié)議簡單：ZigBee是使用星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，具有20-250kbps的傳輸速率。（2）功耗低：由于設(shè)備占空比短，和ZigBee采用了多種節(jié)能模式，它的功耗是非常低的。兩節(jié)AA電池可支持長達(dá)半年至2年的使用，這是ZigBee很明顯的優(yōu)勢。（3）成本低廉、工作頻段靈活：免版稅的ZigBee協(xié)議、簡單的協(xié)議、低數(shù)據(jù)率及小的存儲空間，大大降低的ZigBee的成本。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個從設(shè)備和一個主設(shè)備。（5）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)：形成無需人工干預(yù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以知道，通過信息交換等設(shè)備節(jié)點(diǎn)的存在，然后他們能確定它們之間的關(guān)系；自愈ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行更改以刪除或附加設(shè)備節(jié)點(diǎn)，可以自動恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，無需人工干預(yù)，以確保系統(tǒng)的可靠性。

2.3 智能家居系統(tǒng)的總體架構(gòu)

由于智能家居系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以將智能家居系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)。本論文主要研究的子系統(tǒng)有智能家居控制主機(jī)、智能照明控制系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)、智能電器控制系統(tǒng)、家居環(huán)境控制系統(tǒng)。通過對智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)方法的學(xué)習(xí)，我們了解到智能家居系統(tǒng)是由一個結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成的。它是由一個智能家居控制主機(jī)通過若干個轉(zhuǎn)接設(shè)備接入多個不同的子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。家居環(huán)境控制系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)和智能電器控制系統(tǒng)的組合可以實(shí)現(xiàn)家居控制的功能。家居安防系統(tǒng)通過可視對講模塊、視頻監(jiān)控模塊和防盜報警模塊三個子系統(tǒng)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)家居安防的功能。電阻式觸摸顯示屏使智能家居系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)本地控制的功能。借助智能手機(jī)和個人計算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的功能。

2.4 智能家居管理終端的研究

2.4.1 智能家居管理終端的總體功能。前面提到的智能家居控制主機(jī)又稱為智能家居集中控制器，是指封裝好的有智能家居系統(tǒng)控制功能的控制器硬件和軟件，具備有相應(yīng)外圍接口。控制主機(jī)通常包括各種形式的控制器終端產(chǎn)品，通過直接連接或者協(xié)議轉(zhuǎn)換間接控制方式，實(shí)現(xiàn)智能電器控制、家居環(huán)境控制的功能。

2.4.2 智能家居管理終端的功能模塊。根據(jù)前面對智能家居系統(tǒng)的功能需求分析，我們主要來了解家居控制模塊。

家居控制模塊：家居控制模塊的主要功能是通過各執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對智能家電設(shè)備的控制和家居環(huán)境的設(shè)置。該模塊包括三個子功能模塊：智能照明控制模塊、智能電器控制模塊、家居環(huán)境控制模塊。當(dāng)有新的智能家電設(shè)備增加或者需要移除某家電設(shè)備時，用戶通過智能家居管理終端提供的人機(jī)界面即可實(shí)現(xiàn)加入或剔除相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。用戶可以遠(yuǎn)程查詢各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)，通過智能家居管理終端在家中或者遠(yuǎn)程控制家中的各種智能家電設(shè)備，根據(jù)需要選擇合適的家居環(huán)境模式。將可控制的各種智能家電設(shè)備根據(jù)控制參數(shù)的類型分為：（1）開關(guān)量（所有智能家電設(shè)備）；（2）照度（燈光）；（3）溫度（空調(diào)、熱水器等）；（4）濕度（加濕器、干燥器等）；（5）音量（電視機(jī)、音響、影碟機(jī)等）；（6）頻道（電視機(jī)、收音機(jī)等）；（7）定時時間（空調(diào)、燈光、電飯鍋等）；（8）家居環(huán)境模式（空調(diào)、燈光、電動窗簾、音響、影碟機(jī)等）。

采用的技術(shù)路線：采用ZigBee芯片作為各種智能家電設(shè)備的執(zhí)行器，各種家電設(shè)備作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，每個家電設(shè)備都有唯一的目標(biāo)短地址與其對應(yīng)。智能家居管理終端控制器通過SPI口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器連接，采用自制定的ZigBee模塊SPI口通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)智能家居管理終端對各種智能家電的控制和家居環(huán)境的設(shè)置。

3 結(jié)束語

基于ARM的智能家居管理終端是一個完整的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)項目，其目的是開發(fā)一個簡單，功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展，易操作，低功耗，低成本的穩(wěn)定，可靠性，智能家居管理終端。文章依次介紹了智能家居系統(tǒng)的需求分析，組網(wǎng)方案和建設(shè)的整體架構(gòu)。