基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統

摘要：為了滿(mǎn)足手機短信遠程控制家電設備的需要，應用GR64和CC2430為核心開(kāi)發(fā)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能化短信遠程控制系統。系統硬件部分主要由短信(SMS)收發(fā)模塊、紅外收發(fā)模塊、微處理器模塊、存儲模塊和供電模塊等組成；軟件部分給出了ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的工作原理、家庭網(wǎng)關(guān)的設計流程。試驗表明，該系統具有良好的可擴展性、低成本、低功耗、低延時(shí)、低復雜度等特點(diǎn)，在智能家居系統中具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；家庭網(wǎng)關(guān)；紅外線(xiàn)通信；SMS ZigBee GR64；CC2430

0 引言
智能家居(Smar Home)又稱(chēng)智能住宅。智能家居是以家為平臺，兼備自動(dòng)化、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利、節能的住宅環(huán)境。智能家居系統是將家庭中各種與信息有關(guān)的通信設備、家用電器和家庭保安裝置通過(guò)家庭總線(xiàn)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行有效的控制和信息交換，同時(shí)將家庭網(wǎng)絡(luò )與外網(wǎng)相連，利用遠程監控系統，實(shí)現對家居的遠程控制。雖然智能家居的概念已提出多年，但是由于相應的通信技術(shù)及應用領(lǐng)域的發(fā)展速度緩慢，一直沒(méi)有走向實(shí)用化。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、半導體制造技術(shù)、嵌入式微處理技術(shù)等的快速發(fā)展，尤其是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBee技術(shù)的興起與成熟和GSM網(wǎng)手機用戶(hù)的日益普及，使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在遠程環(huán)境監控、自動(dòng)抄表、醫療護理、智能家居、遠程工業(yè)和交通控制等領(lǐng)域提供了切實(shí)可行的應用方案，標志著(zhù)在不久的將來(lái)智能家居將真正地進(jìn)入人們生活的各個(gè)方面。ZigBee模塊可以安裝在遙控器、電燈、電視、風(fēng)扇、空調、微波爐、煤氣爐、門(mén)禁系統和其他各種家電設備中，實(shí)現家居的照明、溫／濕度、安全和電氣智能控制，通過(guò)ZigBee終端設備還可以收集家居的各種信息，傳送到家庭網(wǎng)關(guān)；或者通過(guò)遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化。隨著(zhù)智能化家電設備的廣泛應用，人們迫切需要隨時(shí)隨地的了解并控制家電設備的運行狀態(tài)。本文結合用戶(hù)的實(shí)際需求，給出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的家居遠程控制系統的設計方案，用戶(hù)可以使用手機發(fā)短信通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)對室內所有的家電設備進(jìn)行遠程控制。

1 ZigBee技術(shù)
ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟制定的面向低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(LR-WPAN)的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，其物理層和數據鏈路層使用IEEE802.15.4標準，網(wǎng)絡(luò )層和應用層由ZigBee聯(lián)盟定義。與Wi—Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)相比，ZigBee具有的優(yōu)勢如下：
(1)低功耗：工作模式下非常省電，并且支持休眠狀態(tài)；
(2)低速率：ZigBee工作在3個(gè)免執照的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫療)頻段上分別具有250 Kb／s(2．4 GHz)、40 Kb，／s(915 MHz)和20 Kb／s(868 MHz)三種不同的峰值數據速率；
(3)低成本；
(4)組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò )容量大：ZigBee可采用星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)；
(5)短距離：傳輸范圍一般介于10～100 m之間；
(6)安全可靠性高，提供了數據完整性檢查和鑒權認證功能，采用AES-128加密算法，同時(shí)采取碰撞避免機制。
ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的三種邏輯設備類(lèi)型：ZC(ZigBee協(xié)調器)、ZR(ZigBee路由器)和ZED(ZigBee終端節點(diǎn)設備)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都必須包括一個(gè)ZC。協(xié)調器的主要功能是建立網(wǎng)絡(luò )、傳輸網(wǎng)絡(luò )信標、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息和路由信息等。ZR既具有ZED的接入功能，又具有路由功能，可以作為遠程設備之間的中繼器來(lái)拓展網(wǎng)絡(luò )的范圍，負責搜索可用的網(wǎng)絡(luò )、傳遞或轉發(fā)與其連接的ZR或ZED的數據。ZED無(wú)路由功能，它和ZR可以從ZC或從任何已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的ZR處獲得有關(guān)網(wǎng)絡(luò )的信息，據此設置操作參數，加入網(wǎng)絡(luò )。
ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的三種拓撲結構：星型拓撲、樹(shù)型拓撲和網(wǎng)狀拓撲，如圖1所示。

(1)星型拓撲：節點(diǎn)之間的數據路由只有惟一的一條路徑。
(2)樹(shù)型拓撲：當從一個(gè)節點(diǎn)向另一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，信息將沿著(zhù)樹(shù)的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調器節點(diǎn)，然后再向下傳遞到目標節點(diǎn)。
(3)網(wǎng)狀拓撲：網(wǎng)狀拓撲結構是一種特殊的、按多跳方式傳輸的點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )結構，其路由可自動(dòng)建立和維護，并且具有強大的自組織、自愈功能。網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)“多級跳”的方式來(lái)通信，可以組成極為復雜的網(wǎng)絡(luò )，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)規模。
IEEE 802．15．4標準定義了兩種物理設備類(lèi)型，FFD(全功能設備)和RFD(半功能設備)。FFD是具有路由功能的節點(diǎn)，可以實(shí)現ZigBee網(wǎng)絡(luò )的任意一種邏輯設備類(lèi)型，它能與RFD或其他FFD通信。RFD只能充當ZED，不具備路由功能，只能選擇性地加入已形成的網(wǎng)絡(luò )，只能與FFD通信，使用最少的資源和存儲器空間。
家庭智能控制(如照明、遙控裝置、水電氣計量及報警、PC機外設的無(wú)線(xiàn)連接等)具有這些方面的特點(diǎn)：傳輸數據量小，無(wú)需太大的傳輸速度，網(wǎng)絡(luò )的容量要大，家庭中的各種設備多，易部署擴展性靈活性高，信息的實(shí)時(shí)性要好，時(shí)延要短，成本要低。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)決定了其能很好地滿(mǎn)足家庭網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信的需求。