摘 要： 根據智能家居系統的特點和發展現狀，采用ZigBee技術和嵌入式Internet技術組建家庭網絡并建立家庭網關。分別介紹了兩部分的設計思路、技術特點、硬件選型和軟件設計。實現并驗證該了系統的遠程監控功能，指出其應用前景。
關鍵詞： 智能家居；ZigBee協議；JN5139；家庭網關；BOA服務器
智能家居以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、嵌入式技術、傳感器技術、網絡通信技術以及自動控制技術等，將家中的各種電子電氣設備通過家庭網絡連接在一起，集中遠程監控、管理家庭事物，讓家居生活更加舒適、安全、有效。
智能家居屬于消費電子、計算機、通信、家電、建筑、網絡運營等行業的交叉領域。各行業因為不同的行業背景和發展思路，制定了各自的標準規范，選用了不同的技術組合。目前智能家居還處于發展階段，各種新概念、新技術、新產品不斷出現，并且尚無規范統一的國內外標準和產品可直接應用[1]。基于此背景，本文以ZigBee技術的發展為契機，結合嵌入式Internet技術，研究設計了一套智能家居遠程監控系統,整體設計方案如圖1所示。家庭網絡和家庭網關是整個系統的主干，如何組建家庭網絡和建立家庭網關決定了系統的設計水平和靈活性。
1 組建家庭網絡
傳統的智能家居系統組建家庭網絡多采用總線控制技術，主要有X-10、CEBus、LonWorks和ApBus等幾種[2]。由于有線網絡存在布線麻煩、可擴展性差等缺點，將無線通信技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。目前比較常用的短距離無線通信技術有Wi-Fi、Bluetooth、UWB、Z-Wave、ZigBee等。相對于其他技術，ZigBee具有網絡大容量、低速率、低功耗、較長傳輸距離、短時延、高安全性、工作頻段靈活的特點。
智能家居家庭網絡內燈光、水表、電表、安防報警、家電等組網的電子電氣設備數量較多，而網內傳送的是控制命令和數字等小容量數據，不需要太大的傳輸速率，但要求網絡容量大、成本低、功耗低。因此使用ZigBee技術組建家庭網絡是比較理想的選擇。
1.1 ZigBee協議及硬件設備
ZigBee協議棧構建在IEEE 802.15.4標準基礎之上，IEEE 802.15.4標準定義了物理層和MAC層。ZigBee聯盟定義了網絡層、應用層和安全服務層。ZigBee規范確定了三種設備：ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備。每個網絡都必須包括一臺ZigBee協調器。在組網方式上，ZigBee支持星形結構、樹形結構和網狀結構三種拓撲形式。
由于眾多廠商對ZigBee無線技術前景的看好，許多符合ZigBee技術標準的通信模塊紛紛被研制出來以滿足客戶對ZigBee產品的開發需求，例如Chipcon公司的CC2420、TI公司收購Chipcon公司后推出的CC2430/CC2431、飛思卡爾的MC1322x、Jennic公司的JN51系列。本文選用了集成Jennic公司JN5139芯片的GAINSJ節點開發板，該開發板集成了天線、溫濕度傳感器SHT10、LED燈、按鍵等外部資源。
1.2 拓撲結構和路由協議的選擇
通過測試得知該ZigBee開發板在室外空曠環境的通信距離為90 m～100 m，在室內有墻壁等障礙物時的通信距離在30 m左右，當有兩堵墻阻隔時會出現2%左右的丟包率。在一般的家庭環境，通過合理的位置擺放可使ZigBee協調器和ZigBee終端節點的距離小于30 m，滿足通信要求。為保障系統的健壯可靠，在每個房間的門口增加ZigBee路由器，既降低了一跳的通信距離要求，又避免和降低了墻壁等障礙物引起的丟包現象。
ZigBee網絡支持星形結構、樹形結構和網狀結構三種拓撲形式，如圖2所示。本文從樹形結構和網狀結構中選擇更適合智能家居系統的拓撲結構。 樹形結構對應Cluster-Tree路由算法，此路由算法較為簡單，相當于靜態路由，需要硬件配置較低，按照此算法，數據包只能轉發給父節點或者子節點。網狀結構需要AODVjr路由算法，此算法較為復雜，相當于動態路由，需要的硬件配置較高，但是節點間通信更為靈活[3]。而在本文智能家居遠程監控系統中，不存在終端節點之間的通信，完全是協調器和終端節點之間的通信，所以選擇了樹形結構和Cluster-Tree路由算法。
1.3 軟件設計
GAINSJ的集成開發環境是Jennic提供的Code::Blocks版本。Code::Blocks是一個全功能開放源代碼的跨平臺C/C++集成開發環境。Jennic公司在此基礎上添加了JN5139編譯器、JN5139 Flash Programmer、IEEE 802.15.4Stack Software、ZigBee Stack Software等組件。
Flash Programmer工具用來將編譯好的代碼下載到GAINSJ開發板中，在Code::Blocks集成開發環境中編寫好應用程序代碼并編譯鏈接相應的庫，生成二進制文件(*.bin文件)后，就可以利用Flash Programmer通過串口將二進制文件下載到開發板上的Flash中[4]。
家庭網絡采用樹形拓撲結構，ZigBee協調器負責發起和維護網絡，通過串口接收和處理家庭網關傳來的命令；發送命令數據幀給ZigBee終端節點，接收和處理ZigBee終端節點傳送的數據幀，通過串口傳送數據給家庭網關。其軟件設計流程圖如圖3所示。ZigBee路由器負責分配管理網絡地址和轉發數據包。ZigBee終端節點負責加入網絡，接收來自協調器的命令并執行，將執行結果通過數據幀發送給協調器，定期采集處理溫濕度，如果數據超標就發送數據幀給協調器，其軟件設計流程圖如圖4所示。
本文選用樹形拓撲結構和Cluster-Tree路由算法，下面節選了一個在終端節點中調用的發送函數及參數設置來說明如何使用選定的路由算法。
(void)afdeDataRequest(
APS_ADDRMODE_SHORT,/* 地址類型 */
0x0000,/* 目的地址 */
WSN_DATA_SINK_ENDPOINT,/* 目的端口*/
WSN_DATA_SOURCE_ENDPOINT,/* 原端口 */
WSN_PROFILE_ID,/* 描述 ID */
WSN_CID_SENSOR_READINGS,/* 簇ID */
AF_MSG,/* 幀類型 */
1,/* 數據包個數*/
asTransaction,/* 數據包內容*/
APS_TXOPTION_NONE,/* 發送模式 */
SUPPRESS_ROUTE_DISCOVERY, /* 路由發現模式*/
0/* 發送深度*/);
這個函數用來向網絡層發出數據發送請求。倒數第二個參數是路由發現模式，有三種設置，本文使用SUPPRESS_ROUTE_DISCOVERY，即如果路由表已經建立，那么數據將使用現有的路由表路由；如果路由表沒有建立，那么數據將沿樹形路徑路由。
2 建立家庭網關
2.1 嵌入式Internet技術及硬件設備
家庭網關的作用是使內部ZigBee家庭網絡和外部Internet互聯互通。本文采用嵌入式Internet技術，建立嵌入式Web網站，通過遠程訪問網頁監控ZigBee網絡內的設備。嵌入式設備具有體積小、功耗低、價格低的優點[5]。
本文選用mini2440開發板做為家庭網關，它以Samsung的S3C2440處理器為核心，并輔以SDRAM、Flash等基本的系統外圍設備，還需配備連接ZigBee網絡協調器的RS232接口和以太網絡控制器。
2.2 軟件設計
在mini2440上進行軟件設計的內容和步驟是：(1)搭建交叉編譯開發環境，在宿主機上安裝Linux操作系統，安裝arm-linux-gcc編譯器；(2)在目標板mini2440上移植BOA服務器，配置boa.config文件；(3)在目標板上進行html文件和.cgi文件測試，確保BOA服務器正常工作；(4)編寫html靜態網頁和CGI動態網頁，編寫UART串口通信程序，邏輯結構如圖5所示。
3 結果和展望
mini2440家庭網關和ZigBee協調器通過RS232串口線相連，ZigBee路由器和終端節點擺放在房間的不同位置，mini2440家庭網關和PC機通過網線相連，IP地址分別為：192.168.1.120和192.168.1.230。
在PC機上打開瀏覽器，輸入http://192.168.1.120，即為登錄界面，輸入用戶名、密碼，認證成功后，為主界面，如圖6所示。在家電狀態查詢欄里點擊第一個查看，可獲得并顯示室1的溫濕度；點擊第二個查看，可獲得并顯示室2的溫濕度。在家電狀態設置欄里設置家電1為開，家電查詢欄中對應狀態顯示on，同樣設置家電2為關。第三欄定時查詢溫濕度，如果超標自動顯示在頁面，還具有查看報警歷史記錄的功能。
本文實現了智能家庭遠程監控系統的主干部分，組建ZigBee家庭網絡，建立嵌入式Web家庭網關，并驗證了該系統的各項功能。將ZigBee技術及嵌入式Web技術應用于智能家居系統具有易于實現和擴展、方便實用、成本低廉的優勢。隨著該技術在智能家居市場的推廣，將有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 童曉渝，房秉毅，張云勇.物聯網智能家居發展分析[J].移動通信，2010，34(9)：16-20.
[2] 馬季.智能家居遠程監控系統的研究與實現[D].青島：中國海洋大學，2009.
[3] 鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網絡[M].北京：北京郵電大學出版社，2011.
[4] 徐勇軍，劉峰，王春芳，等.低速無線個域網實驗教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.
[5] 宋雅麗，唐曉晟.基于OSGi家庭網關和Web Service技術的智能家庭系統[J].計算機應用，2007，27(6)：1542-1544.