【摘要】智能家居系統(tǒng)由主控制器、遙控器和智能終端構(gòu)成，能夠?qū)艄�、窗簾、家用電器、智能插座等家用設(shè)備進行手自動控制。智能家居系統(tǒng)采用低功耗ZigBee無線技術(shù)組網(wǎng)，每個智能家居設(shè)備都包括一個ZigBee通信模塊負責(zé)無線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。智能家居系統(tǒng)的控制策略包括手動控制，情景模式以及時間程序等。
【關(guān)鍵詞】ZigBee；智能家居；無線技術(shù)
1.前言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對家居生活環(huán)境的要求日益提高。智能家居系統(tǒng)結(jié)合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，為家庭生活提供便捷、舒適、安全、節(jié)能以及健康等各方面服務(wù)，大大提高了生活質(zhì)量，發(fā)展勢頭迅猛。
傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用總線技術(shù)產(chǎn)品，在裝修前，要預(yù)埋通信管線，工程量大、投資成本高，裝修好的房子則很難再進行改造安裝家居系統(tǒng)，這個缺陷限制了智能家居系統(tǒng)的推廣。采用ZigBee無線技術(shù)組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，不但能夠有效的控制燈光、窗簾、家用電器等設(shè)備，而且省去了預(yù)埋通信總線的麻煩，大大降低了施工的難度，縮短施工進度、降低成本。
2.方案設(shè)計
2.1 ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它工作于免執(zhí)照的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為20～10MKbps，傳輸距離為幾十米到幾百米之間，網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納65000個設(shè)備。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES2128加密算法。智能家居系統(tǒng)的特點是終端數(shù)量多，一套家居系統(tǒng)有幾十個甚至上百個點；通信距離短，一般在一套房子的室內(nèi)外小范圍通信；數(shù)據(jù)量少，通信數(shù)據(jù)大部分是控制命令以及一些檢測數(shù)據(jù)。為此，ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，甚至可以說是為智能家居系統(tǒng)量身定做的。
2.2 總體方案設(shè)計
智能家居系統(tǒng)由主控制器和智能終端以及遙控器等構(gòu)成，智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，主控制器負責(zé)家居系統(tǒng)的組網(wǎng)以及控制策略的執(zhí)行。主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410，處理器主頻采用533MHZ，計算處理能力強。通過10寸的觸摸屏、音頻模塊和USB鼠標(biāo)接口等實現(xiàn)人界交互，采用32MSD卡存儲控制系統(tǒng)信息。通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用用手機對智能家居系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用軟件。Win-
dowsCE6.0其軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應(yīng)用。主控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關(guān)插座以及安防消防設(shè)備等，是智能家居系統(tǒng)的控制以及執(zhí)行設(shè)備。智能終端包括一個ZigBee模塊負責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。遙控器包括一塊LCD屏幕作為控制菜單選擇，可以對智能家居系統(tǒng)的各個設(shè)備發(fā)出控制命令，遙控器平時不操作的時候，采用休眠模式以降低電池功耗。
2.3 控制策略
家居系統(tǒng)的控制策略是其智能性的主要體現(xiàn)，其設(shè)計的合理性，直接影響到用戶的舒適體驗。智能家居系統(tǒng)中，共設(shè)計了手動控制，情景模式和時間程序三種模式。其中，在手動模式下，家庭智能終端可以通過遙控器以及主控制器的觸摸面板進行直接控制，這樣用戶就可以很方便的對家里的所有智能終端及家用電器進行控制，而無需再用家用電器的其它紅外遙控器，手動模式具有最高優(yōu)先級，以便在緊急狀態(tài)下，用戶能夠直接控制家居設(shè)備。在情景模式下，各智能終端按照預(yù)先設(shè)定的值執(zhí)行，情景模式包括起床模式、聚餐模式、假日模式以及安防模式等，用戶通過主控制器對情景模式設(shè)定值進行配置。也可以通過在主控制器上設(shè)置時間程序，來確定某個設(shè)備在特定時間的開或關(guān)，比如，在早上七點起床時刻，開啟窗簾；下午下班前，先將家里的某些烹煮電器的智能插座上電。通過這三種控制策略，大大提高了智能家居系統(tǒng)的智能化程度。
3.ZigBee通信設(shè)計
3.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計
ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為星型網(wǎng)、樹簇型網(wǎng)、以及網(wǎng)型網(wǎng)三種。根據(jù)智能家居系統(tǒng)的特點，采用樹簇型網(wǎng)的方式進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。樹簇型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點類型分為終端器、路由器和協(xié)調(diào)器三種，其中終端器（End Device）是網(wǎng)絡(luò)的終端，只能收發(fā)數(shù)據(jù)不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，遙控器以及低功耗設(shè)備采用此類節(jié)點類型。路由器不但能夠收發(fā)數(shù)據(jù)還能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，部分通過強電供電的智能終端為此類節(jié)點類型（如燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器等）。協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，主控制器為此類節(jié)點類型，一個智能家居網(wǎng)絡(luò)中，只有一個主控制器是協(xié)調(diào)器。為了有效管理網(wǎng)絡(luò)，可以通過智能終端上的配置按鈕進行配置，一個智能終端可以任意配置成終端器或者協(xié)調(diào)器節(jié)點類型。采用樹簇型網(wǎng)優(yōu)點在于讓低功耗設(shè)備可以節(jié)約電池功耗，設(shè)置成終端器的遙控器，平時不發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，可以將處理器設(shè)置成休眠模式，電池可以用長達一年之久；保證網(wǎng)絡(luò)中路由器的數(shù)量合理，即能有效的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，又不會使得路由產(chǎn)生過多的額外開銷。
3.2 ZigBee通信模塊設(shè)計
為了方便設(shè)備設(shè)計，采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式，每個智能家居設(shè)備都包括一個ZigBee模塊，此模塊負責(zé)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。模塊采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的Z-Stack協(xié)議棧，內(nèi)部集成了低功耗的8051單片機，外圍包括通用IO口、A/D轉(zhuǎn)換接口、SPI口、以及串口等，接口資源豐富。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設(shè)計。通用接口如4圖所示，通用接口主要包括P0、P1和P2通用IO口，其中P2可以配置成特殊功能口。通用接口可以為家居智能設(shè)備的電路設(shè)計提供相應(yīng)的硬件資源，只要再設(shè)計一塊功能模塊與ZigBee模塊組合，便可以實現(xiàn)設(shè)備的功能。
4.結(jié)束語
該智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)了對家庭燈光、窗簾、家用電器、插座以及消防安防等的智能化控制，使得家居生活更加便捷、安全、舒適、高效與健康。通過ZigBee低功耗無線技術(shù)組網(wǎng)，使得整個系統(tǒng)布線簡單，裝修維護方便，為智能家居系統(tǒng)的推廣提供了有利條件。
參考文獻
[1]Pottie G J.Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Communications of the ACM,2000.43(5):51-58.
[2]彭宇,羅清華,潘大為.ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2009,6:588-591.
[3]南忠良,孫國新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010,18(7):
117-119.
[4]閔茹,李靜,王軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及應(yīng)用[J].河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報,2006,14(6):22-23.
[5]王海濤,朱兆優(yōu).基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)[J].東華理工大學(xué)學(xué)報,2009,
32(2):394-396.
作者簡介：王堅鋒（1983—），男，浙江泰順人，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程分院講師，研究方向：樓宇智能化工程技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】ZigBee；智能家居；無線技術(shù)
1.前言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對家居生活環(huán)境的要求日益提高。智能家居系統(tǒng)結(jié)合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，為家庭生活提供便捷、舒適、安全、節(jié)能以及健康等各方面服務(wù)，大大提高了生活質(zhì)量，發(fā)展勢頭迅猛。
傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用總線技術(shù)產(chǎn)品，在裝修前，要預(yù)埋通信管線，工程量大、投資成本高，裝修好的房子則很難再進行改造安裝家居系統(tǒng)，這個缺陷限制了智能家居系統(tǒng)的推廣。采用ZigBee無線技術(shù)組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，不但能夠有效的控制燈光、窗簾、家用電器等設(shè)備，而且省去了預(yù)埋通信總線的麻煩，大大降低了施工的難度，縮短施工進度、降低成本。
2.方案設(shè)計
2.1 ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它工作于免執(zhí)照的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為20～10MKbps，傳輸距離為幾十米到幾百米之間，網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納65000個設(shè)備。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES2128加密算法。智能家居系統(tǒng)的特點是終端數(shù)量多，一套家居系統(tǒng)有幾十個甚至上百個點；通信距離短，一般在一套房子的室內(nèi)外小范圍通信；數(shù)據(jù)量少，通信數(shù)據(jù)大部分是控制命令以及一些檢測數(shù)據(jù)。為此，ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，甚至可以說是為智能家居系統(tǒng)量身定做的。
2.2 總體方案設(shè)計
智能家居系統(tǒng)由主控制器和智能終端以及遙控器等構(gòu)成，智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，主控制器負責(zé)家居系統(tǒng)的組網(wǎng)以及控制策略的執(zhí)行。主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410，處理器主頻采用533MHZ，計算處理能力強。通過10寸的觸摸屏、音頻模塊和USB鼠標(biāo)接口等實現(xiàn)人界交互，采用32MSD卡存儲控制系統(tǒng)信息。通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用用手機對智能家居系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用軟件。Win-
dowsCE6.0其軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應(yīng)用。主控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關(guān)插座以及安防消防設(shè)備等，是智能家居系統(tǒng)的控制以及執(zhí)行設(shè)備。智能終端包括一個ZigBee模塊負責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。遙控器包括一塊LCD屏幕作為控制菜單選擇，可以對智能家居系統(tǒng)的各個設(shè)備發(fā)出控制命令，遙控器平時不操作的時候，采用休眠模式以降低電池功耗。
2.3 控制策略
家居系統(tǒng)的控制策略是其智能性的主要體現(xiàn)，其設(shè)計的合理性，直接影響到用戶的舒適體驗。智能家居系統(tǒng)中，共設(shè)計了手動控制，情景模式和時間程序三種模式。其中，在手動模式下，家庭智能終端可以通過遙控器以及主控制器的觸摸面板進行直接控制，這樣用戶就可以很方便的對家里的所有智能終端及家用電器進行控制，而無需再用家用電器的其它紅外遙控器，手動模式具有最高優(yōu)先級，以便在緊急狀態(tài)下，用戶能夠直接控制家居設(shè)備。在情景模式下，各智能終端按照預(yù)先設(shè)定的值執(zhí)行，情景模式包括起床模式、聚餐模式、假日模式以及安防模式等，用戶通過主控制器對情景模式設(shè)定值進行配置。也可以通過在主控制器上設(shè)置時間程序，來確定某個設(shè)備在特定時間的開或關(guān)，比如，在早上七點起床時刻，開啟窗簾；下午下班前，先將家里的某些烹煮電器的智能插座上電。通過這三種控制策略，大大提高了智能家居系統(tǒng)的智能化程度。
3.ZigBee通信設(shè)計
3.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計
ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為星型網(wǎng)、樹簇型網(wǎng)、以及網(wǎng)型網(wǎng)三種。根據(jù)智能家居系統(tǒng)的特點，采用樹簇型網(wǎng)的方式進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。樹簇型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點類型分為終端器、路由器和協(xié)調(diào)器三種，其中終端器（End Device）是網(wǎng)絡(luò)的終端，只能收發(fā)數(shù)據(jù)不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，遙控器以及低功耗設(shè)備采用此類節(jié)點類型。路由器不但能夠收發(fā)數(shù)據(jù)還能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，部分通過強電供電的智能終端為此類節(jié)點類型（如燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器等）。協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，主控制器為此類節(jié)點類型，一個智能家居網(wǎng)絡(luò)中，只有一個主控制器是協(xié)調(diào)器。為了有效管理網(wǎng)絡(luò)，可以通過智能終端上的配置按鈕進行配置，一個智能終端可以任意配置成終端器或者協(xié)調(diào)器節(jié)點類型。采用樹簇型網(wǎng)優(yōu)點在于讓低功耗設(shè)備可以節(jié)約電池功耗，設(shè)置成終端器的遙控器，平時不發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，可以將處理器設(shè)置成休眠模式，電池可以用長達一年之久；保證網(wǎng)絡(luò)中路由器的數(shù)量合理，即能有效的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，又不會使得路由產(chǎn)生過多的額外開銷。
3.2 ZigBee通信模塊設(shè)計
為了方便設(shè)備設(shè)計，采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式，每個智能家居設(shè)備都包括一個ZigBee模塊，此模塊負責(zé)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。模塊采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的Z-Stack協(xié)議棧，內(nèi)部集成了低功耗的8051單片機，外圍包括通用IO口、A/D轉(zhuǎn)換接口、SPI口、以及串口等，接口資源豐富。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設(shè)計。通用接口如4圖所示，通用接口主要包括P0、P1和P2通用IO口，其中P2可以配置成特殊功能口。通用接口可以為家居智能設(shè)備的電路設(shè)計提供相應(yīng)的硬件資源，只要再設(shè)計一塊功能模塊與ZigBee模塊組合，便可以實現(xiàn)設(shè)備的功能。
4.結(jié)束語
該智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)了對家庭燈光、窗簾、家用電器、插座以及消防安防等的智能化控制，使得家居生活更加便捷、安全、舒適、高效與健康。通過ZigBee低功耗無線技術(shù)組網(wǎng)，使得整個系統(tǒng)布線簡單，裝修維護方便，為智能家居系統(tǒng)的推廣提供了有利條件。
參考文獻
[1]Pottie G J.Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Communications of the ACM,2000.43(5):51-58.
[2]彭宇,羅清華,潘大為.ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2009,6:588-591.
[3]南忠良,孫國新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010,18(7):
117-119.
[4]閔茹,李靜,王軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及應(yīng)用[J].河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報,2006,14(6):22-23.
[5]王海濤,朱兆優(yōu).基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)[J].東華理工大學(xué)學(xué)報,2009,
32(2):394-396.
作者簡介：王堅鋒（1983—），男，浙江泰順人，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程分院講師，研究方向：樓宇智能化工程技術(shù)。
