基于ZigBee的智能家居系統的設計

曹歡歡

?

基于ZigBee的智能家居系統的設計

曹歡歡

上海交通大學，上海 200240

研究了智能家居系統設計方案，包括內部網網絡的選擇和整個系統的設計方案。

智能家居；ZigBee；家庭網關；GPRS；模塊；動態網站

引言

隨著電子信息技術和計算機網絡技術的發展，人們的生活水平大幅度提高，對生活環境的要求也越來越高。實現家庭信息化、網絡化是當今產業的重要研究任務，隨之而提出了一連串的新概念：家庭自動化、家庭信息化、智能家居等。智能家居是人類住宅的又一場新的革命，它能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現代生活方式，是未來居住模式的必然發展趨勢。因此，智能家居系統也在逐漸成為一個新興的研究領域。

1 智能家居系統設計方案

智能家居系統可以劃分為外部網、家庭網關和內部網三個部分[1]。外部網可以是小區局域網、有線電視網、電話網和Internet等，大多采用比較成熟的技術。內部網則是用于互連家庭內部各種電器和設備的局域網，由于所連接的設備功能不同，其組網形式也表現出很大的多樣性。家庭內部網根據其功能大體上分為三類：用于實現控制功能的控制網絡，用于交換數據信息的數據網絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網絡。家庭網關是連接家庭內部網和外部網的網絡連接設備，將內部網接入外部網，為外部網絡提供對家庭內部聯網設備的控制功能，同時，家庭網關允許家庭內部可以采用不同的聯網技術，利用網關為不同的通信子網提供橋接的能力，使各子網內的聯網設備之間可以相互通信。智能家居系統框架如圖1所示。本設計主要對內部網和家庭網關進行設計和實現。

圖1智能家居系統框架

2 內部網網絡技術的選擇

智能家居內部設備的互聯需要通過各種有線、無線的通信技術來實現，實現遠程控制也需要各種通信技術的支撐。

有線聯網技術通常采用預布的五類線、總線或電力線傳輸控制信號。遙控的功能通過無線或紅外接入點，把遙控指令轉化為有線控制指令傳輸給受控家居的智能模塊，其中，總線方式采用強弱電分離的機制，系統比較穩定，對負載的適應性很強，但缺點是需要預布控制線，需要的輔助設備比較多，難安裝、難調試、難維護，系統出現故障后往往會導致整個系統癱瘓。電力載波方式利用一個或多個直接接入強電的無線接入點，通過交流強電作為載波傳輸控制信號，缺點是控制信號直接在強電網上傳輸，信號不穩定而且極易受外界干擾，在應用中表現出很大的地區差異性。

無線組網方式的特點是靈活性、移動性和可擴展性，其是有線組網方式所無法具備的，能更好地適應各種應用環境的需要，每個家居的智能感應模塊都是一個無線接入點，彼此互不干擾。無線組網方式所需要解決的難題也很多，如頻譜資源分配、功率大小、傳輸的可靠性等。目前應用的各種無線技術包括Wi-Fi、ZigBee、藍牙、GSM、3G等，這些技術相對成熟，前三種技術適用于房間內設備組網，而后兩種技術則可用于實現遠程接入。ZigBee、Wi-Fi、藍牙技術的對比如表1所示。

表1 ZigBee、Wi-Fi和藍牙技術的對比

通過表1可以看出ZigBee技術具有低功耗、成本低、網絡容量大等特點，符合智能家居內部網的要求。

４整個系統的設計方案

本設計使用三個配置Jennic公司的JN5139模塊的傳感器板和ZigBee技術來搭建內部網，分別使用以Windows XP為操作系統的PC機和以Linux為操作系統的ARM嵌入式系統開發板（FL2440）來設計家庭網關，使用GPRS模塊（MC55）來負責短信發送和接收。在Windows XP環境下使用JSP技術、Tomcat服務器和MySQL數據庫來設計一個動態網站，而在嵌入式Linux環境下使用CGI技術、Boa服務器和SQLite數據庫來設計一個動態網站。本設計智能家居系統設計方案如圖2所示。

圖2 本設計的智能家居系統設計方案

本系統實現的功能是能讓用戶通過手機短信或局域網范圍內的Web瀏覽器來對傳感器板的發光二極管進行監控，查詢傳感器的數據，得知求助信息。這里我們將發光二極管當作為一個家電設備，求助信息當作為報警信息。

家庭網關是連接家庭網絡和外部網絡的接口單元，應該能夠提供家庭聯網、服務質量（QoS）保障、安全管理、維護管理、地址管理和數據轉發等功能，除了提供基本接入功能之外，還可以擴展提供特定應用。

本設計使用GPRS模塊（MC55）來實現短信發送和接收的功能。另外，本設計分別在PC機和ARM嵌入式系統開發板（FL2440）設計一個動態網站和一個應用程序，其用來處理硬件平臺之間的通信，讓用戶可以通過短信或Web瀏覽器來監控家里的家電設備、查詢傳感器的數據以及獲知報警信息。PC機使用Windows XP作為操作系統，而FL2440使用Linux 2.6.28作為操作系統[2]。

本設計將PC機和嵌入式系統開發板分別使用，目的是PC機可對家庭內部網絡和外部網進行初步測試，并證明系統的可行性。而嵌入式系統開發板則用于正式研究和開發。

[1]鄭權.基于ZigBee的智能家居系統的設計[D].大慶：東北石油大學，2010.

[2]王永春.ZigBee技術在智能家居中的應用[J].智能建筑與城市信息，2009（1）：76-79.

Design of smart home system based on ZigBee

Cao Huanhuan

Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

This paper studies the design of smart home system，including the choice of the internal network network and the design of the entire system.

smart home；ZigBee；home gateway；GPRS module；dynamic website

TP273.5

A

1009-6434（2016）12-0009-04