ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計

選自21ic論壇，TI無線連接分論壇

編輯：付斌

本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng)，從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進行本地操作，同時也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

智能家居是一個多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng)，它以家庭住宅為平臺，利用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)，將家庭中的各種電器設(shè)備通過某種形式的網(wǎng)絡(luò)有機地連接在一起，進行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理與調(diào)控，為人們提供一個舒適、安全、方便、環(huán)保和高效率的生活環(huán)

本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng)，從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進行本地操作，同時也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。

1. ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來，很有市場潛力的一種無線連接技術(shù)。它是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求而誕生的。它基于IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（WirelessPersonal AreaNetwork，WPAN）工作組的80211514標準，被稱為ZigBee技術(shù)標準。

完整的ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖1所示。

IEEE80211514標準定義了物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）；網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責制定，其中應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，利用無線通信，通過自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此每個節(jié)點的功能并非完全相同。為了降低系統(tǒng)的成本，IEEE80211514定義了2種物理設(shè)備類型：全功能設(shè)備FFD （Full FunctionDevice）和精簡功能設(shè)備RFD（Reduced FunctionDevice）。FFD節(jié)點具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換，能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點來使用，可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進行通信；RFD只能作為終端節(jié)點來使用，而且只能與FFD通信，兩個RFD節(jié)點之間不能通信。

Zigbee這一無線通信技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組織、自愈能力強等特點，可廣泛應(yīng)用于多個技術(shù)領(lǐng)域，有著廣闊的市場前景。

2 .基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信具有如下特點：

①傳輸數(shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速度；②網(wǎng)絡(luò)的容量大，以滿足家庭中的各種家電設(shè)備；③信息的實時性好，時延短。

ZigBee的技術(shù)特點決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)的上述需求，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。

2.1 能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

智能家居系統(tǒng)可通過GSM/GPRS/CDMA/網(wǎng)絡(luò)、ZigBee個域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶在戶外可通過手機調(diào)控家中的電器和照明裝置，也可及時得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報警信息；在家中可通過遙控器調(diào)控家電設(shè)備?？刂破鬟€兼有可視對講系統(tǒng)室內(nèi)主機功能，能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息，必要時可向社區(qū)保安發(fā)出報警求救信號。系統(tǒng)主要由一個智能家居控制器和若干個室內(nèi)監(jiān)控ZigBee功能模塊組成。系統(tǒng)模型如圖2所示。智能家居控制器經(jīng)2個無線通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及2條有線通信線路與外部設(shè)施實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

智能家居控制器內(nèi)部裝有手機模塊，通過GSM（GPRS、CDMA）移動通信網(wǎng)絡(luò)，與用戶手機實現(xiàn)雙向短消息收發(fā)。用戶可通過手機短消息實現(xiàn)對家用電器的電源開關(guān)控制以及調(diào)光、調(diào)速控制；控制器以手機短消息的形式向用戶手機發(fā)送報警信號，供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報警用。

控制器內(nèi)部裝有1個ZigBee模塊，通過Zig2Bee無線網(wǎng)絡(luò)與家居中的監(jiān)控裝置進行通信，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）來使用。它負責組建智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令，并做出相應(yīng)地處理。同時還要將從路由節(jié)點（FFD）或終端節(jié)點（RFD）接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3類：第一類為開關(guān)與插座，最簡單的插座通過小電子開關(guān)的通斷實現(xiàn)對家用電器（如電飯煲、飲水機、電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機、電動窗簾以及不需要調(diào)光的燈具）的電源開關(guān)控制；較復(fù)雜的智能開關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能，用于吊燈、落地臺燈的調(diào)光或電風扇的調(diào)速等。第二類為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏，還有手動報警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)?。┑膱缶?。這些節(jié)點都帶有ZigBee模塊，作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點（RFD）。第三類為手持遙控器，除實現(xiàn)對家用電器開關(guān)控制、調(diào)光調(diào)速控制外，還具備照明場景設(shè)定與控制功能。

若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡(luò)和門禁對講系統(tǒng)，控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對講系統(tǒng)的室內(nèi)主機的功能。

控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪客的圖像畫面，與訪客進行對講或開鎖操作。此外，控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息；當室內(nèi)發(fā)生意外時，可向小區(qū)物管發(fā)送報警信號?？刂破鱾溆谢ヂ?lián)網(wǎng)接口，供用戶在異地時通過互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運行，也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件。下一代互聯(lián)網(wǎng)的問世將為此項功能的應(yīng)用提供極大的支持，到那時，每個家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址，從而成為網(wǎng)絡(luò)中的一員。

ZigBee的簇狀網(wǎng)絡(luò)綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點，我們在實際應(yīng)用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節(jié)點組成簇狀網(wǎng)絡(luò)。它具有良好的可擴展性，對于大戶型或別墅用戶而言，可以通過增加路由節(jié)點來擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；對于小戶型的用戶而言，可以通過減少路由節(jié)點變成星型網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)省能量、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.2 能家居控制器的硬件設(shè)計

2.2.1 能家居控制器簡介

智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器。其組成框圖如圖3所示，它以嵌入式處理器為中心，由手機模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。智能家居控制器是整個智能家居系統(tǒng)的控制中心，其硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央處理器。從功能、可擴展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮，我們選擇功能強大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器，存儲器選用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

在人機接口方面，采用5英寸的TFT液晶屏，并配置相應(yīng)的觸摸屏。可用于顯示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息，并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備。另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C總線接口設(shè)計鍵盤接口，從而可擴展各種控制、報警方式?？刂破饔?個通信模塊：手機模塊和ZigBee模塊。手機模塊由主機模塊、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片（GPRS 模塊）。與ARM進行數(shù)據(jù)傳輸采用標準的RS - 232接口，通過使用AT命令完成對該模塊的操作，實現(xiàn)短消息的收發(fā)。Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息，通過RS - 232接口與ARM進行數(shù)據(jù)傳遞。

控制器配有以太網(wǎng)接口，配合控制器上建立的Web服務(wù)器，用戶可通過Internet完成對家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控。圖3中的RS - 485接口用于與小區(qū)物管的通信（與原有的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)配合。若為新建小區(qū)，可直接使用以太網(wǎng)接口）.利用MAX3232將ARM9的兩個USART收發(fā)器，組成兩個RS - 232端口和一個RS - 485端口。

音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS總線接口與外部音頻數(shù)字信號編碼器芯片（UDA1341TS）組成。

視頻接口采用中芯微的DSP芯片，將視頻信號轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進制圖像流，經(jīng)處理后送LCD屏顯示。

2.2.2 能家居控制器中的Zigbee模塊

ZigBee模塊采用全功能設(shè)備（FFD）類型，它在智能家居系統(tǒng)中承擔著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，可提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡功能設(shè)備（RFD）。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU （8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個定時器、AES - 128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。

CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA ；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

CC2430帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口，通過此通信接口中的一個，S3C2410X處理器可以對CC2430進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。CC2430芯片集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時，芯片還采用了CS2MA - CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來計算，價格便宜，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點的特點。

控制器通過RS - 232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息。

2.3 能家居控制器的功能

智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux，ARM系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee模塊組成一個整體，構(gòu)成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點的無線連接。智能家居控制器的功能為

（1）采用ARM架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器和開源的嵌入式linux操作系統(tǒng)；

（2）是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺的網(wǎng)關(guān)；

（3）遇盜搶或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警；

（4）以家庭為單位配置，利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)；

（5）利用ZigBee傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數(shù)據(jù)（火災(zāi)、煤氣泄漏等），并自動通過手機模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心；

（6）通過以太網(wǎng)（或RS - 485）與小區(qū)管理中心通信；

（7）通過控制器上的無線ZigBee模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點進行通訊，對多種家電設(shè)備進行相應(yīng)的控制；

（8）用戶可通過Internet遠程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；對故障報警優(yōu)先處理，通過手機模塊自動發(fā)送短信息到用戶手機或小區(qū)物管，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，以便對各種信息進行進一步的分析和統(tǒng)計。在這里數(shù)據(jù)庫成為了連接前后臺的中間件，存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠程監(jiān)控和本地LCD顯示，同時接收瀏覽器和本地鍵盤輸入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態(tài)的上傳；同時數(shù)據(jù)庫還需實現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計和查詢。在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite以滿足系統(tǒng)遠程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。

控制器的軟件主要分為4個模塊：與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序。為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò)，需要在控制器（數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)）上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進行通信，并通過CGI接口調(diào)用后臺CGI程序。CGI程序在Web服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系，調(diào)用具體的控制程序，實現(xiàn)對智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的指定操作。它監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地都能知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的，使用戶可以隨時了解網(wǎng)絡(luò)的狀況，如設(shè)備的加入退出、設(shè)備故障等等。

3 .結(jié)語

ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。智能家居控制器硬件由先進的ARM9嵌入式系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee模塊組成；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux，家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，安全性好，系統(tǒng)功能完善，能夠適應(yīng)今后智能家居發(fā)展的需要。