基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

摘要：為了滿足手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備的需要，應(yīng)用GR64和CC2430為核心開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化短信遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)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(chǔ)模塊和供電模塊等組成；軟件部分給出了ZigBee無線通信協(xié)議的工作原理、家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)流程。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、低成本、低功耗、低延時(shí)、低復(fù)雜度等特點(diǎn)，在智能家居系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；家庭網(wǎng)關(guān)；紅外線通信；SMS ZigBee GR64；CC2430

0 引言
智能家居(Smar Home)又稱智能住宅。智能家居是以家為平臺(tái)，兼?zhèn)渥詣?dòng)化、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利、節(jié)能的住宅環(huán)境。智能家居系統(tǒng)是將家庭中各種與信息有關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術(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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程控制。雖然智能家居的概念已提出多年，但是由于相應(yīng)的通信技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展速度緩慢，一直沒有走向?qū)嵱没?。隨著傳感器技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)、嵌入式微處理技術(shù)等的快速發(fā)展，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)的興起與成熟和GSM網(wǎng)手機(jī)用戶的日益普及，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控、自動(dòng)抄表、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、遠(yuǎn)程工業(yè)和交通控制等領(lǐng)域提供了切實(shí)可行的應(yīng)用方案，標(biāo)志著在不久的將來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(diào)、微波爐、煤氣爐、門禁系統(tǒng)和其他各種家電設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)家居的照明、溫／濕度、安全和電氣智能控制，通過ZigBee終端設(shè)備還可以收集家居的各種信息，傳送到家庭網(wǎng)關(guān)；或者通過遙控達(dá)到遠(yuǎn)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。隨著智能化家電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，人們迫切需要隨時(shí)隨地的了解并控制家電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。本文結(jié)合用戶的實(shí)際需求，給出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，用戶可以使用手機(jī)發(fā)短信通過家庭網(wǎng)關(guān)對室內(nèi)所有的家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1 ZigBee技術(shù)
ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟制定的面向低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN)的雙向無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟定義。與Wi—Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無線接入技術(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(zhí)照的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)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(shù)據(jù)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、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)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(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)認(rèn)證功能，采用AES-128加密算法，同時(shí)采取碰撞避免機(jī)制。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的三種邏輯設(shè)備類型：ZC(ZigBee協(xié)調(diào)器)、ZR(ZigBee路由器)和ZED(ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都必須包括一個(gè)ZC。協(xié)調(diào)器的主要功能是建立網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍，負(fù)責(zé)搜索可用的網(wǎng)絡(luò)、傳遞或轉(zhuǎn)發(fā)與其連接的ZR或ZED的數(shù)據(jù)。ZED無路由功能，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(jù)此設(shè)置操作參數(shù)，加入網(wǎng)絡(luò)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)?、樹型拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌鐖D1所示。

(1)星型拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有惟一的一條路徑。
(2)樹型拓?fù)洌寒?dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
(3)網(wǎng)狀拓?fù)洌壕W(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種特殊的、按多跳方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)，并且具有強(qiáng)大的自組織、自愈功能。網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種物理設(shè)備類型，F(xiàn)FD(全功能設(shè)備)和RFD(半功能設(shè)備)。FFD是具有路由功能的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的任意一種邏輯設(shè)備類型，它能與RFD或其他FFD通信。RFD只能充當(dāng)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(chǔ)器空間。
家庭智能控制(如照明、遙控裝置、水電氣計(jì)量及報(bào)警、PC機(jī)外設(shè)的無線連接等)具有這些方面的特點(diǎn)：傳輸數(shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速度，網(wǎng)絡(luò)的容量要大，家庭中的各種設(shè)備多，易部署擴(kuò)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足家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信的需求。