基于zigbee的無線智能家居搭建與調試分析

田華

(西安職業技術學院 電子信息工程系，西安 710000)

0 引言

隨著整個社會的發展，當前已經邁入到信息化階段，創新科技逐步發展成為主要社會發展動力，尤其是受到相對成熟的安全防護信息系統、網絡技術、計算機技術的影響，智能化的技術越來越深入人心。在國內，中科院的自動化研究所識別國家重點實驗室是這方面的先頭兵，對于模式識別與通信技術進行了極為廣泛的研究，同時也開發出了不少能夠用于軍用和民用實驗的產品。但是目前的檢測系統只能是檢測出當前區域內是否有相關的對象存在，但是對其動作無法進行有效的分析，國內的技術還不夠完善，通信系統還無法實現網絡化控制與傳輸，因此，距離智能化的大規模應用還是有較大的差距。在我們對其進行使用時，還是有各種各樣的問題需要注意。與國外發展的情況相比，國內對于智能化家居的研究還是較為緩慢的，因此我們必須著眼于做好眼前的技術，才能讓其穩步發展。

1 Zigbee關鍵技術探討

1.1 Zigbee技術概述

Zigbee, 在中國被譯為"紫蜂",它與藍牙相類似.是一種新興的短距離無線技術，用于傳感控制應用。Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人區域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定[1]。

1.2 Zigbee網絡拓撲的發展

Zigbee技術可以實現星型拓撲從主干路連到客戶端，主要是把星型拓撲網絡安裝在智能家居或者是傳統的主站點位置，它可以將星型拓撲的主干線接入到離用戶客戶端非常近的位置，它的特點在于所提供的帶寬較窄，對于網絡數據的傳輸要求比較高，但是對于供電等要求比較低，方便安裝。它可以形成無源網絡，不需要電源的輸入，就可以完成信息的交換，它的帶寬也可以得到擴展，適合作為主干線來進行星型拓撲的通信，使用難度較小，允許使用的協議較多，目前來說越來越多的技術可以在其之上進行實現，讓其功能不斷的進行提升與完善，使得用戶可以有效的進行星型拓撲通信，提升保密性與準確性[2]。

在民用智能家居技術當中，星型拓撲供應方案是極為重要的，如果可以將星型拓撲直接接入到用戶端，那么就可以解除對于波長等的要求與限制，可以開展各種各樣的服務，雖然說我國的電子通信在這些年有著極大的發展潛力，但是它還是無法進行高速的傳輸，所以很多人眼中星型拓撲接入到客戶端就可以解決這些問題，使得可以在高效傳輸的情況下，減小終端的體積方便攜帶。星型拓撲最大的優點在于其可以擴展帶寬，在技術不斷發展之時，星型拓撲的成本也在不斷的降低，在西方很多國家，已經開始大規模的普及智能家居星型拓撲的客戶端，早在2000年左右，美國和日本的智能家居星型拓撲結構就已經發展到了極大的規模，而且現在還在以每年百分之十的速度持續增長。

2 基于zigbee的無線智能家居搭建設計

2.1 家居模塊

智能家居系統從出現以來，已經呈現多次發展，從最初階段的模擬、數字控制等系統，逐步邁向現在的全網絡高清視頻控制等系統。根據融合互聯網技術，當前建設無線控制系統逐步邁向互聯網化，也蘊含著更高信息化的條件，但會受到網絡狀況、存儲情況等諸多因素的制約，針對這樣的情況，智能家居系統的發展與提升密切聯系著存儲系統、網絡系統等系統的發展[3]。將基于ZigBee 芯片的無線網絡收發模塊嵌入到各種家居設備中去，組成基于ZigBee的無線家庭控制網絡，根據自己的需要用戶可以接入或者移除不同的設備[4]。通過這些無線網絡收發器模塊在各子網絡之間的數據傳輸的節點，使在家庭內的無線設備的網絡互連，使他們能夠協作，自動運行，智能家居拓撲圖，如圖1所示。

圖1 智能家居拓撲結構

2.2 中央控制模塊

控制中心一般采用支持Zigbee技術的特殊單片機，CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1 個8 位MCU(8051)，具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128 協同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O 引腳。CC2430就是相當于一個增強型8051+zigbee射頻模塊，具體內部結構，如圖2所示。

2.3 通信與信息存儲模塊

信息存儲系統設計必須借助安全防范弱電專網的三層結構，前端進行交換機接入做好視頻信號的匯集，借助光纖網絡向核心交換機傳送信號，并且管理、存儲網絡服務器與磁盤列陣。一般選取地下建筑形式的存儲通信管道，那么主要管道有一根四孔格柵管與三根七孔梅花管，輔助管道氣組成部分是一根四孔格柵管與一根七孔梅花管，末端管道則是兩根PE50管道。按照系統整體構架與實際情況，結合場景與傳輸距離，則會進行各種傳輸方式的選擇，通過室外六類雙絞線傳輸室外存儲器末端，室內六類成品跳線使用在機房。

圖2 控制設備結構圖

信息存儲區設置相應的主控平臺，可以擁有各種類型監控平臺解決方案，有多屏顯示、告警查詢、電子云臺、視頻監控、電視墻控制管理、查詢回放錄像、云臺控制、登錄認證等。主控平臺的構成是流媒體服務器、視頻管理服務器、相應管理軟件、數據庫服務器。 顯示終端則是選取大尺寸顯示單元構成的拼接電視墻，借助解碼設備處于電視墻顯示解碼之后的數字信號。 圖像存儲則是處于存儲中心，選取網絡存儲主機與擴展柜實施高清視頻圖像存儲，從而能夠有效證據支撐突發事件，不但能夠要進一步發生突發事件及時制止，還可以存在事后回溯，普通位置可以存儲30天時間，重要位置的存儲時間為90天[5]。

2.4 視頻監控安防模塊

由于視頻監控及安放模塊的重要性與其他控制部分相比要更高，因此一般進行單獨設計，如圖3所示。

圖3 智能家居安防系統

隨著經濟水平的發展，城市化過程加快，整個家居的安全也越來越重要了，主要是利用電視閉路監控與手機端控制的方式來使得物聯網安全技術越來越普及，同時國家相關部門規定了智能防控安全標準，應當做到人員和信息的全方位安全保障。同時對于一些居民小區來說，人流量較大，因此對于相關人員進行識別與核對也是極為重要的，這就能夠加強居民的安防建設。但是如果從經濟與使用方便性的角度去考慮，我國的很多產品依然有待提升，因此，我們應當對技術進行改進，將其真正的升級成為適合我國家居所使用的安全防范保衛措施。Zigbee通信也可以實現中央控制設備與員工之間的通信，在出現問題時，能夠更好的實現控制與遠程管理功能[6]。Zigbee無線通信可以使得用戶能夠動態的進行通信，同時對于突發情況可以采取有效的應對措施。有線廣播可以進行高效的切換，在平時可以播放音樂傳送節目，但是在緊急的時候可以切換到緊急狀態，播放相關的消息。電話撥打在出現緊急的問題之后，應該及時的向外界進行消息的傳送，可以自動的向公安機關撥打電話請求援助。巡更管理巡更管理系統要和電視監控系統相結合，來檢查每天的工作是否完成，可以通過人的生物特征進行識別。綜合管理系統可以進行門禁的管理以及燈光、登記方面的自動調度，就可以有效的對一些公共設施進行管理，查看它們的使用情況。

3 基于zigbee的無線智能家居設計與調試

智能家居系統所從事的工作關系著家庭的安全，那么在建設過程當中應該將實時運轉大量數據信息資源、軟件系統、硬件設備最大限度考慮進來，穩定運行系統，應該存在著周密備份方案，可以讓系統出現異常的時候及時的進行補救，除此之外，還應該進行自動恢復，冗余容錯數據存儲系統與關鍵設備。應該實施分散控制與集中管理的方式設計系統結構，使各個子系統在通信網絡支持下集中管理，從而擁有著相對完整的系統結構[7]。

Zigbee路由器，其主要是起路由的作用，搜索區域中可用的網絡，作為潛在的父節點允許更多的設備加入網絡，傳輸數據以及向Zigbee協調器請求數據等。通常，是希望路由器一直處于活動狀態，因此它必須使用主電源供電。但是當使用樹狀網絡拓撲結構的時候，允許路由間隔一定的周期才操作一次，這樣就可以使用電池給其供電，路由器也屬于全功能設備，利用多變量線性回歸擬合的方式來做好網絡拓撲的建立，如下式。

s(β)=∑t(yt-f(xt,β))2

基于網絡的管理平臺采用B/S(Browser/ Server)結構，客戶端只需裝有Web 瀏覽器即可，服務器端連接客戶端和數據服務器，負責處理來自瀏覽器用戶的請求。數據庫服務器保存系統數據，實現數據的定義、維護、訪問、更新及管理，并響應服務器的請求。采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術將數據存儲到數據庫中。遠程WEB 服務器使用微軟的ASP.NET 技術開發了基于B/S 架構的數據管理服務軟件。整個管理軟件分為前臺頁面和后臺管理兩大模塊，前臺頁面主要實現了用戶可視化管理，方便用戶隨時查看、統計數據。

在系統經營運行過程當中，對于系統的網絡出現故障等造成系統無法操作的情況，要對其進行一定的考慮，因為其可能會影響到智能控制業務無法開展，因此對于一些重要的業務要留存手工處理的方案，在出現嚴重的問題時，要利用原來的方式進行驗證，這樣就能有效的防止系統出現問題。整體系統主要由前端、控制與傳輸設備組成，探測器是入侵報警系統的前端部分，這是屬于入侵報警系統觸覺部分，可以感知變化的現場氣味、溫度、能量、濕度等物理量，還可以根據一定規律向恰當傳輸電信號轉換，相應的入侵報警子系統的結構見圖3。智能家居的安防系統實現了集成化，可以和門禁一卡通、視頻監控系統做到報警聯動，具體來說，其功能為：設置系統編程，做好全部用戶資料管理；借助相關設置，進行安全保衛人員巡更的有效管理，處于規定的時間內探測器自動撤防，超出時間則是處于布防狀態；可以擁有聯動輸出接口、集成接口、二次開發接口；做好歷史報警事件查詢；借助鍵盤或者計算機將布防、撤防狀態和各個防區報警信息體現出來；對監控系統線路安全狀態實時查看；多媒體工作方式，可以通過語音提示接收報警信號；能夠單獨的對全部樓層進行平面圖繪制，為報警的處理提供極大的方便；開展電子地圖的繪制，還能夠處于各個地圖跳轉，這也就使得各級地圖能夠方便的顯示在大范圍區域。

4 總結

根據目前的智能家居技術來看，Zigbee技術蘊含著更高程度信息化的條件，但會受到網絡狀況、存儲情況等諸多因素的制約，針對這樣的情況，該系統的發展與提升密切聯系著存儲系統、網絡系統等系統的發展。使用Zigbee技術可以有效地對于設備中的問題進行解決，有利于實現高效的開發，因此我們應當做好其檢測與優化，使其能夠更好地發展。