Zigbee技術(shù)下的智能家居網(wǎng)絡(luò )系統設計

　　隨著(zhù)經(jīng)濟不斷發(fā)展和電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，智能居家系統早已引起了人們的注意。國外智能家居產(chǎn)品主要注重于家庭內部的功能實(shí)現，主要是兩種產(chǎn)品：以安全報警為主的系統和同時(shí)具有安防報警與家庭自動(dòng)化功能的產(chǎn)品，但它的價(jià)格比較高，在中國市場(chǎng)推廣時(shí)遇到了阻力。在國內，智能家居起步相對較晚發(fā)展都相對減慢，廠(chǎng)家的構成較為復雜，技術(shù)實(shí)力也相差懸殊，無(wú)法準確地評價(jià)其技術(shù)水平。雖然市場(chǎng)還沒(méi)有較好的展開(kāi)，但是我國的一些實(shí)力較強的公司已開(kāi)始技術(shù)儲備，越來(lái)越多的機構和個(gè)人開(kāi)始了對智能家居的研究，因此我國智能家居的蓬勃發(fā)展指日可待。本文所提出的家庭室內智能網(wǎng)絡(luò )系統整體以ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為基礎，以實(shí)現安防報警和家用電器遠程控制的功能。

　　1　關(guān)鍵技術(shù)

　　1．1ZigBee

　　ZigBee是一種高可靠的無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò )，ZigBee數傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾千米，并且支持無(wú)線(xiàn)擴展。它的基礎是IEEE802．15．4，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)(PAN)工作組的一項標準，被稱(chēng)作IEEE802．15．4技術(shù)標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。其技術(shù)的主要特點(diǎn)是：數據傳輸速率低，功耗低，成本低，網(wǎng)絡(luò )容量大，時(shí)延短，安全，有效范圍小，工作頻段靈活，數據傳輸可靠性高，以及很好的兼容性。因此，ZigBee的主要應用領(lǐng)域集中在了消費家用電子產(chǎn)品和傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域。

　　1．2JN5121模塊介紹

　　本文中選擇的核心模塊是JN5121-Z01-M01，它是JENNIC公司推出的一款應用兼容IEEE802．15．4標準和ZigBee技術(shù)的收發(fā)芯片。JN5121是一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗，低成本無(wú)線(xiàn)微型控制器。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2．4GHz頻段的IEEE802．15．4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，64KB的ROM，96KB的RAM，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用提供了多種解決方案，同時(shí)高度集成化的設計簡(jiǎn)化了總的系統成本。

　　JN5121內置的ROM存儲器集成了點(diǎn)對點(diǎn)通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧；JN5121內置的RAM存儲可以支持網(wǎng)絡(luò )路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間；JN5121內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統的功耗和處理器的負載；JN5121支持晶振休眠和系統節能功能，同時(shí)提供了對于大量的模擬和數字外設的互操作支持，讓用戶(hù)可以方便的連接到自己的外部應用系統。圖1為JN5121內部結構示意圖。

　　2　系統整體設計

　　家庭室內智能網(wǎng)絡(luò )系統主要包括家庭安全防范報警系統和家用電器自動(dòng)控制系統兩大部分。整體的設計框圖如圖2所示。

　　本系統采用多傳感器復合數據融合策略實(shí)現危險信號報警。傳感器節點(diǎn)會(huì )采集家庭環(huán)境的數據并進(jìn)行數據處理融合，并上報給中心節點(diǎn)。中心節點(diǎn)對傳感器節點(diǎn)上報的數據進(jìn)行判斷，如果發(fā)現家庭環(huán)境數據出現異常，中心節點(diǎn)將會(huì )對相應的控制節點(diǎn)發(fā)送控制指令。而控制節點(diǎn)根據這些指令啟動(dòng)或者關(guān)閉家用電器，使家庭環(huán)境恢復到用戶(hù)滿(mǎn)意的程度。路由節點(diǎn)使數據和指令在傳送過(guò)程中找到最佳的路徑，準確快捷地達到目標。由于采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，路由節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的位置不會(huì )受到角度、障礙物等因素的影響，非常靈活。

　　在中心節點(diǎn)發(fā)現環(huán)境數據異常的同時(shí)，它命令短信節點(diǎn)將數據通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )將環(huán)境數據以短信的形式報告給用戶(hù)，使用戶(hù)掌握家中的環(huán)境情況。用戶(hù)還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)對家中的智能網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)控制家中的電器。系統所有節點(diǎn)的電源均使用微型電池。

　　2．1傳感器節點(diǎn)

　　本系統的傳感器節點(diǎn)采集光、溫度、濕度、光電、液位、電磁感應、壓力等信號。這些傳感器節點(diǎn)被設置在用戶(hù)家中的窗、門(mén)、廚房等位置。傳感器節點(diǎn)的原理框圖如圖3所示。

　　傳感器采集到家庭環(huán)境的信號后，通過(guò)A／D轉換器轉換，經(jīng)過(guò)微處理器的數據融合處理，再利用通信模塊對數據發(fā)進(jìn)行發(fā)送。微處理器還負責對A／D轉換器和通信模塊工作的控制。

　　2．2路由節點(diǎn)

　　由于家用電機眾多，中心節點(diǎn)與傳感器節點(diǎn)和電器控制節點(diǎn)距離較遠。因此在它們之間加入了路由節點(diǎn)，以保證信息能夠通過(guò)最佳的路徑，準確快捷達到目的地。在本系統中，路由器節點(diǎn)可以設置在用戶(hù)家中各個(gè)房間的鏈接處。路由節點(diǎn)的作用是對接收到的數據或命令進(jìn)行信號加強后找到最佳路徑之后再轉發(fā)。

　　2．3中心節點(diǎn)

　　系統初始化之后，中心節點(diǎn)向各個(gè)子節點(diǎn)發(fā)送指令，規定各類(lèi)傳感器節點(diǎn)30min發(fā)送一次采集的數據。在接收到由傳感器節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據后，中心節點(diǎn)先對數據進(jìn)行分析，判斷是否出現數據異常，當數據出現異常時(shí)，立即向該異常節點(diǎn)附近節點(diǎn)發(fā)送要求數據的指令，如果該節點(diǎn)周?chē)濣c(diǎn)數據也出現高于平均值的情況，則判斷為出現異常情況。并根據具體的數據，例如溫度、光強、濕度等，來(lái)對相應的控制節點(diǎn)發(fā)送家用電器的操作命名，實(shí)現對家用電器的自動(dòng)控制功能。中心節點(diǎn)的位置一般設置在用戶(hù)家中的主室之中，和PC主機應用RS232串口相連。中心節點(diǎn)的原理框圖如圖4所示。

　　2．4控制節點(diǎn)

　　控制節點(diǎn)的功能是接受并執行中心節點(diǎn)傳來(lái)的指令?？刂乒濣c(diǎn)執行的目標是用戶(hù)家中的家用電器。為了能夠很好地實(shí)現這個(gè)目標，控制節點(diǎn)在安裝時(shí)盡量靠近家用電器?？刂乒濣c(diǎn)的原理框圖如圖5所示。

　　通信模塊負責指令的接收與家用電器狀態(tài)數據的發(fā)送；控制模塊負責根據命令開(kāi)啟或關(guān)閉家用電器。

　　3　網(wǎng)關(guān)的設計

　　3．1GSM短信

　　系統的中心節點(diǎn)確定有家庭環(huán)境數據異常的同時(shí)，中心節點(diǎn)會(huì )將異常的數據發(fā)送給短信節點(diǎn)，短信節點(diǎn)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )以短信的方式將數據發(fā)送到指定的用戶(hù)手機中，使異地手機用戶(hù)隨時(shí)監測本地網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)。此時(shí)，短信模塊將接收到的ZigBee協(xié)議的數據解析，然后封裝成符合GSM網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的幀格式，接入到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現私有網(wǎng)絡(luò )與G網(wǎng)的協(xié)議轉換，即完成GSM網(wǎng)關(guān)功能。

　　3．2互聯(lián)網(wǎng)

　　本系統可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這就需要將ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和常用的互聯(lián)網(wǎng)的TCP／IP協(xié)議互相轉換。

　　中心節點(diǎn)通過(guò)RS232串口與用的PC主機相連，PC主機通過(guò)網(wǎng)卡與互聯(lián)網(wǎng)相連。智能網(wǎng)絡(luò )通過(guò)串口將數據發(fā)送給主機，主機應用軟件將符合ZigBee協(xié)議的數據解析，再封裝成符合TCP／IP協(xié)議的數據包，發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中，這樣用戶(hù)就可以在遠程互聯(lián)網(wǎng)終端對智能網(wǎng)絡(luò )的情況進(jìn)行查看。同樣，當用戶(hù)在遠程互聯(lián)網(wǎng)終端向家中的智能網(wǎng)絡(luò )下達命令時(shí)，主機應用軟件將符合TCP／IP協(xié)議的數據包解析，在封裝成符合ZigBee協(xié)議的數據包，通過(guò)串口發(fā)送給家中的智能網(wǎng)絡(luò )。這樣就完成了用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與家中智能網(wǎng)絡(luò )交互的目的。

　　軟件實(shí)現互聯(lián)網(wǎng)通信的方法是應用C++語(yǔ)言采用Socket編程實(shí)現C／S模式。

　　4　結語(yǔ)

　　本系統采用無(wú)線(xiàn)、短距離、自組織路由功能的AdHoc通信技術(shù)，結合了各種傳感器采集技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、定位技術(shù)、硬件技術(shù)、軟件設計等。形成具有定位、溫度、濕度、壓力、紅外、入侵監測等的復合感知，然后控制各種電器設備工作，滿(mǎn)足室內安全環(huán)境要求。智能網(wǎng)與Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)可連接，方便異地遙控。遠程監控軟件運行在PC上，顯示當前室內的環(huán)境參數和設備運行狀態(tài)，與Internet連接，遠程用戶(hù)可以通過(guò)Internet在遠程終端上監控。該系統兩節點(diǎn)之間直接通信距離不小于60m；連接Internet速度不低于100Mb／s；本地到遠程視頻放映時(shí)間小于3s。

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