摘 要： 將嵌入式技術與ZigBee無線通信技術相結(jié)合，實現(xiàn)了網(wǎng)絡接入家庭和具有遠程控制功能的低成本、低功耗的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Internet和GSM/CDMA網(wǎng)絡直接訪問家庭網(wǎng)關進而控制家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡，實現(xiàn)了家電控制及監(jiān)控等智能化控制。
關鍵詞： ZigBee；家庭網(wǎng)關；ARM；傳感器
ZigBee是一種新興的無線通信技術，它具有短距離、低功耗、低成本和低數(shù)據(jù)速率等特點。而智能家居的特點就是網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量小，對帶寬要求低，但是需要的網(wǎng)絡實時性好，延遲要短，要求接入方便，系統(tǒng)續(xù)航能力久、可擴展性強并且后期維護簡單。這無疑使ZigBee技術成為了首選，因為ZigBee技術的主要應用領域就是工業(yè)控制、電子設備和樓宇自動化等，它的特點決定了ZigBee技術能很好地滿足智能家居系統(tǒng)的需求。
1 系統(tǒng)總體方案
智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡大致可分為外部網(wǎng)（因特網(wǎng)）、內(nèi)部網(wǎng)（ZigBee自組網(wǎng)）和家庭網(wǎng)關。其中，家庭網(wǎng)關是核心部分，本系統(tǒng)以移植在tiny6410開發(fā)板上的Boa服務器作為家庭網(wǎng)關，它負責家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。下面介紹內(nèi)部網(wǎng)，這里的內(nèi)部網(wǎng)就是ZigBee自組網(wǎng)，根據(jù)家庭布局采用樹狀或者星形網(wǎng)絡拓撲。ZigBee自組網(wǎng)包括各個終端節(jié)點，這些節(jié)點配合繼電器控制家庭中各種電器開關、溫濕度傳感器等家庭中需要被監(jiān)控的設備對象，從而達到遠程監(jiān)控功能。從通信的角度講，每個節(jié)點即為一個終端，它們相互間通過ZigBee協(xié)議進行無線通信。這里暫不考慮內(nèi)部網(wǎng)絡不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。
智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構框圖如圖1所示。
2 智能家庭網(wǎng)關設計
本文設計的家庭網(wǎng)關要處理來自Internet的數(shù)據(jù)，要求實現(xiàn)家庭網(wǎng)關的硬件必須提供強大的網(wǎng)絡支持，同時需要支持TCP/IP協(xié)議，因此需要操作系統(tǒng)來支持多任務。家庭網(wǎng)關是一個由硬件和軟件共同組成的功能實體，將Boa服務器移植到ARM開發(fā)板作為網(wǎng)關使用。Boa是一個單任務的小型HTTP服務器，源代碼開放、性能優(yōu)越，特別適合應用在嵌入式系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關結(jié)構圖如圖2所示。
Boa服務器的建立較為簡單，主要步驟包括：在開發(fā)主機上對其進行解壓然后交叉編譯，接著配置服務器，主要是修改boa.conf文件，配置完成后就可以進行移植了，移植成功后安裝完畢就可以運行Boa服務器軟件了。在構建好的嵌入式平臺上運行Boa服務器以及串口讀寫應用程序，結(jié)合靜態(tài)網(wǎng)頁和動態(tài)CGI程序可以讓命令從網(wǎng)頁下達到嵌入式服務器。通過CGI技術可以實現(xiàn)Web服務器和串口讀寫應用程序的調(diào)用，從而達到數(shù)據(jù)（也就是命令）從網(wǎng)頁到服務器再通過串口寫入ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的這樣一條正向的流程。當命令發(fā)送至ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡后，緊接著讀寫應用程序讀取ZigBee的反饋數(shù)據(jù)（主要是LED狀態(tài)以及傳感器讀數(shù)），讀取后存入ARM板子里的SQlite數(shù)據(jù)庫以供稍后的CGI程序調(diào)用并顯示在網(wǎng)頁上。
3 ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)設計
從發(fā)展趨勢來看，無線自組網(wǎng)是智能家居網(wǎng)絡未來的發(fā)展方向。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。其是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee將是最低功耗和成本的技術之一。介于智能家居的規(guī)模，即網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點較多等考量，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡拓撲選擇星形結(jié)構。
ZigBee節(jié)點的硬件設計較為簡單，本節(jié)點采用TI公司的CC2430芯片，在單個芯片上整合ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個MCU（加強型8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含ADC、定時器、AES128協(xié)同處理器。數(shù)據(jù)采集單元選用一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11。
家庭內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是以IAR System公司的IAR Embedded Work bench為開發(fā)環(huán)境、以TI公司的ZStack協(xié)議棧為開發(fā)基礎設計的。ZigBee協(xié)議棧2006基于IEEE 802.15.4標準制定，該協(xié)議的突出優(yōu)點是：組網(wǎng)能力強、適應面廣、可靠性高、節(jié)能性好。ZStack協(xié)議棧由實現(xiàn)ZigBee協(xié)議不同功能的程序文件和庫函數(shù)組成。
4 ZigBee協(xié)議
ZigBee協(xié)議是家庭內(nèi)部網(wǎng)的基礎也可以說是核心，它的底層是IEEE 802.15.4，包括物理層和MAC層。ZigBee工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個頻段，而真正需要關心是網(wǎng)絡層和應用層。網(wǎng)絡層的主要功能就是路由，路由算法是它的核心，優(yōu)秀的算法能節(jié)省ZigBee的能源消耗，縮短延遲。網(wǎng)絡層上面是應用層，它主要規(guī)定了一些與應用相關的功能，也就是開發(fā)人員直接打交道的對象。
本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧工作流程如圖3所示。
本文實現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠程控制功能，整個系統(tǒng)架構簡單，即建立嵌入式家庭網(wǎng)關和ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，其功能齊全，并且可根據(jù)實際情況和個人需求增減傳感器以節(jié)約成本，可為任何家庭提供量身訂制的智能家居監(jiān)控服務。本系統(tǒng)可以根據(jù)家庭環(huán)境的改變隨時添加設備節(jié)點，安裝方便，實現(xiàn)了智能家居的人性化控制。此項技術將Web技術與嵌入式技術結(jié)合并擴展，在此項目設計上稍加改動即可添加更多功能的傳感器，此項技術也可以廣泛地運用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)各個領域。
參考文獻
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