Zigbee技術(shù)下的智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計
1 關(guān)鍵技術(shù)
1.1ZigBee
ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò),ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾千米,并且支持無線擴(kuò)展。它的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4,這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn),被稱作IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其技術(shù)的主要特點是:數(shù)據(jù)傳輸速率低,功耗低,成本低,網(wǎng)絡(luò)容量大,時延短,安全,有效范圍小,工作頻段靈活,數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,以及很好的兼容性。因此,ZigBee的主要應(yīng)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(yīng)用兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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,低成本無線微型控制器。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器,配置有2.4GHz頻段的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器,64KB的ROM,96KB的RAM,為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了多種解決方案,同時高度集成化的設(shè)計簡化了總的系統(tǒng)成本。
JN5121內(nèi)置的ROM存儲器集成了點對點通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧;JN5121內(nèi)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(kuò)展任何的存儲空間;JN5121內(nèi)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(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載;JN5121支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能,同時提供了對于大量的模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持,讓用戶可以方便的連接到自己的外部應(yīng)用系統(tǒng)。圖1為JN5121內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計
家庭室內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括家庭安全防范報警系統(tǒng)和家用電器自動控制系統(tǒng)兩大部分。整體的設(shè)計框圖如圖2所示。
本系統(tǒng)采用多傳感器復(fù)合數(shù)據(jù)融合策略實現(xiàn)危險信號報警。傳感器節(jié)點會采集家庭環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理融合,并上報給中心節(jié)點。中心節(jié)點對傳感器節(jié)點上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,如果發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,中心節(jié)點將會對相應(yīng)的控制節(jié)點發(fā)送控制指令。而控制節(jié)點根據(jù)這些指令啟動或者關(guān)閉家用電器,使家庭環(huán)境恢復(fù)到用戶滿意的程度。路由節(jié)點使數(shù)據(jù)和指令在傳送過程中找到最佳的路徑,準(zhǔn)確快捷地達(dá)到目標(biāo)。由于采用無線通信技術(shù),路由節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置不會受到角度、障礙物等因素的影響,非常靈活。
在中心節(jié)點發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)異常的同時,它命令短信節(jié)點將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境數(shù)據(jù)以短信的形式報告給用戶,使用戶掌握家中的環(huán)境情況。用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)來對家中的智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問,并通過網(wǎng)絡(luò)來控制家中的電器。系統(tǒng)所有節(jié)點的電源均使用微型電池。
2.1傳感器節(jié)點
本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點采集光、溫度、濕度、光電、液位、電磁感應(yīng)、壓力等信號。這些傳感器節(jié)點被設(shè)置在用戶家中的窗、門、廚房等位置。傳感器節(jié)點的原理框圖如圖3所示。
傳感器采集到家庭環(huán)境的信號后,通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換,經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)融合處理,再利用通信模塊對數(shù)據(jù)發(fā)進(jìn)行發(fā)送。微處理器還負(fù)責(zé)對A/D轉(zhuǎn)換器和通信模塊工作的控制。
2.2路由節(jié)點
由于家用電機(jī)眾多,中心節(jié)點與傳感器節(jié)點和電器控制節(jié)點距離較遠(yuǎn)。因此在它們之間加入了路由節(jié)點,以保證信息能夠通過最佳的路徑,準(zhǔn)確快捷達(dá)到目的地。在本系統(tǒng)中,路由器節(jié)點可以設(shè)置在用戶家中各個房間的鏈接處。路由節(jié)點的作用是對接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行信號加強(qiáng)后找到最佳路徑之后再轉(zhuǎn)發(fā)。
2.3中心節(jié)點
系統(tǒng)初始化之后,中心節(jié)點向各個子節(jié)點發(fā)送指令,規(guī)定各類傳感器節(jié)點30min發(fā)送一次采集的數(shù)據(jù)。在接收到由傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后,中心節(jié)點先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時,立即向該異常節(jié)點附近節(jié)點發(fā)送要求數(shù)據(jù)的指令,如果該節(jié)點周圍節(jié)點數(shù)據(jù)也出現(xiàn)高于平均值的情況,則判斷為出現(xiàn)異常情況。并根據(jù)具體的數(shù)據(jù),例如溫度、光強(qiáng)、濕度等,來對相應(yīng)的控制節(jié)點發(fā)送家用電器的操作命名,實現(xiàn)對家用電器的自動控制功能。中心節(jié)點的位置一般設(shè)置在用戶家中的主室之中,和PC主機(jī)應(yīng)用RS232串口相連。中心節(jié)點的原理框圖如圖4所示。
2.4控制節(jié)點
控制節(jié)點的功能是接受并執(zhí)行中心節(jié)點傳來的指令??刂乒?jié)點執(zhí)行的目標(biāo)是用戶家中的家用電器。為了能夠很好地實現(xiàn)這個目標(biāo),控制節(jié)點在安裝時盡量靠近家用電器??刂乒?jié)點的原理框圖如圖5所示。
通信模塊負(fù)責(zé)指令的接收與家用電器狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送;控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)命令開啟或關(guān)閉家用電器。
3 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計
3.1GSM短信
系統(tǒng)的中心節(jié)點確定有家庭環(huán)境數(shù)據(jù)異常的同時,中心節(jié)點會將異常的數(shù)據(jù)發(fā)送給短信節(jié)點,短信節(jié)點通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的用戶手機(jī)中,使異地手機(jī)用戶隨時監(jiān)測本地網(wǎng)絡(luò)動態(tài)。此時,短信模塊將接收到的ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)解析,然后封裝成符合GSM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的幀格式,接入到移動通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)私有網(wǎng)絡(luò)與G網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,即完成GSM網(wǎng)關(guān)功能。
3.2互聯(lián)網(wǎng)
本系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問。這就需要將ZigBee無線通信協(xié)議和常用的互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議互相轉(zhuǎn)換。
中心節(jié)點通過RS232串口與用的PC主機(jī)相連,PC主機(jī)通過網(wǎng)卡與互聯(lián)網(wǎng)相連。智能網(wǎng)絡(luò)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī),主機(jī)應(yīng)用軟件將符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)解析,再封裝成符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包,發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中,這樣用戶就可以在遠(yuǎn)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(dāng)用戶在遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)終端向家中的智能網(wǎng)絡(luò)下達(dá)命令時,主機(jī)應(yīng)用軟件將符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包解析,在封裝成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包,通過串口發(fā)送給家中的智能網(wǎng)絡(luò)。這樣就完成了用戶通過互聯(lián)網(wǎng)與家中智能網(wǎng)絡(luò)交互的目的。
軟件實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信的方法是應(yīng)用C++語言采用Socket編程實現(xiàn)C/S模式。
4 結(jié)語
本系統(tǒng)采用無線、短距離、自組織路由功能的AdHoc通信技術(shù),結(jié)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(shè)計等。形成具有定位、溫度、濕度、壓力、紅外、入侵監(jiān)測等的復(fù)合感知,然后控制各種電器設(shè)備工作,滿足室內(nèi)安全環(huán)境要求。智能網(wǎng)與Internet、移動通信網(wǎng)可連接,方便異地遙控。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運行在PC上,顯示當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài),與Internet連接,遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet在遠(yuǎn)程終端上監(jiān)控。該系統(tǒng)兩節(jié)點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(yuǎn)程視頻放映時間小于3s。
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