基于JN5139的智能家居內部組網(wǎng)
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智能家居網(wǎng)絡(luò )主要包括外部網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和內部網(wǎng)。外部網(wǎng)可以是因特網(wǎng)、公用電話(huà)網(wǎng)或小區局域網(wǎng)；內部網(wǎng)是家庭內部家電設備互聯(lián)的局域網(wǎng)。目前有多種技術(shù)應用于內部組網(wǎng)，如HomeRF、電力載波、ZigBee等；家庭網(wǎng)關(guān)則是連接外部網(wǎng)和內部網(wǎng)的重要環(huán)節，以協(xié)議轉換方式完成外部網(wǎng)和內部網(wǎng)的數據交換。
實(shí)現智能家居系統的關(guān)鍵是智能家居組網(wǎng)技術(shù)。智能家居內部網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)：需要傳輸的數據量??；家庭中需要控制的設備多，網(wǎng)絡(luò )容量大；傳輸信息需要延時(shí)短、實(shí)時(shí)性高。ZigBee技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有距離短、低功耗、低數據率、低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)，這些技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿(mǎn)足智能家居內部組網(wǎng)的要求。
組成ZigBee網(wǎng)絡(luò )的設備有協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器建立和控制網(wǎng)絡(luò )，存儲網(wǎng)絡(luò )的信息，包括作為認證中心和安全密鑰的存儲。路由器用來(lái)擴展網(wǎng)絡(luò )的覆蓋面，并提供備份路由以防止網(wǎng)絡(luò )擁塞，可與協(xié)調器和其他路由器通信，并且支持子設備。終端設備可以發(fā)送或接收信息，不做路由使用，它只能與協(xié)調器或一個(gè)路由器通信。
2 硬件設計
2．1 組網(wǎng)方式
內部網(wǎng)采用ZigBee協(xié)議，ZigBee標準支持星形、樹(shù)狀和對等3種網(wǎng)絡(luò )拓撲。在星形網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器負責發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò )結構，所有其他終端設備直接和協(xié)調器通信。在智能家居中各個(gè)節點(diǎn)之間的通信距離比較短，無(wú)需路由器擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋面。內部網(wǎng)可使用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)，只需要協(xié)調器和終端設備即可構成網(wǎng)絡(luò )，從而降低整個(gè)系統的組網(wǎng)復雜程度。該系統將協(xié)調器與家庭網(wǎng)關(guān)統一設計，協(xié)調器／家庭網(wǎng)關(guān)負責處理與各個(gè)終端設備的通信及與外網(wǎng)的通信，終端設備實(shí)現環(huán)境控制、安全檢測、家電控制等具體的功能。圖1給出系統總體框圖。
2．2 系統原理
當外部網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的控制信息進(jìn)入家庭網(wǎng)關(guān)，即進(jìn)入安全檢測和接入認證，如果通過(guò)認證，采用協(xié)議轉換將控制信息轉換成符合內部網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據格式送入協(xié)調器，并根據家庭網(wǎng)關(guān)的控制信息輸送到終端設備。
如果發(fā)生非允許入侵、煤氣泄露等異常事件，終端設備檢測并將信息發(fā)往協(xié)調器，協(xié)調器將這些信息送入家庭網(wǎng)關(guān)，從而轉化成外部網(wǎng)絡(luò )的信息格式，發(fā)往遠程監控設備。同時(shí)，內部網(wǎng)絡(luò )也盡可能完成一些自處理，比如在發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，可以在非人為的干預下打開(kāi)排氣風(fēng)扇，將處理結果發(fā)往遠程控制端。
2．3 電路組成
采用Jennic公司生產(chǎn)的ZigBee JN5139模塊構成內部網(wǎng)絡(luò )。該模塊的特點(diǎn)是以高性能、低功耗的32位無(wú)線(xiàn)微控制器JN5139為核心，使用2．4 GHz射頻收發(fā)電路，兼容IEEE802．15．4和ZigBee標準；低至2．6μA的睡眠電流；有可供用戶(hù)程序使用的128 KB外部SPI接口存儲器；4輸入12 bit A／D轉換器、2個(gè)11 bitD／A轉換器、2個(gè)比較器；2路UART串口、5個(gè)選擇位的SPI接口、1個(gè)I2C接口等。JN5139模塊多樣的接口為外接各種傳感器和控制電路提供了便利。
系統將協(xié)調器和家庭網(wǎng)關(guān)制作在一塊電路板上，圖2給出其電路框圖。這樣作為協(xié)調器的JN5139的性能可以充分利用，既可處理內部ZigBee網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，也可與外網(wǎng)通信；同時(shí)也使得系統結構更為緊湊。外網(wǎng)接入電路可使用GPRS、INTERNET、有線(xiàn)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )等形式，外網(wǎng)的信息經(jīng)JN5139協(xié)議轉換，使其適合在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中傳輸。
終端設備節點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的最終功能單元，與具體的家電設備互聯(lián)，圖3給出終端設備節點(diǎn)電路框圖。傳感器采集家電設備或家居環(huán)境信息，經(jīng)由JN5139處理，打包成ZigBee協(xié)議的信息格式，送至協(xié)調器進(jìn)行下一步處理。JN5139也接收來(lái)自協(xié)調器的控制信息，經(jīng)解碼后送至控制電路，執行相應的操作。
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