基于ZigBee技術的智能家居系統在住宅設計中的應用研究

徐振福 胡克成

【摘要】隨著人們生活水平的日益提高，信息化已經成為人們生活的一部分。人們對智能化居住環境的期望更加強烈，為滿足人們對這些迫切期望的需求，智能家居系統越來越受到重視。本文主要研究基于ZigBee技術的智能家居系統在住宅設計中的應用。論文首先對相關的ZigBee技術、無線傳感器技術和智能家居系統模型進行了可行性分析；在此基礎上整合了基于ZigBee技術的智能家居系統；然后搭建了基于ZigBee的智能家居控制嵌入式開發系統的硬件和軟件平臺；最后對本家居系統進行了測試，將ZigBee技術融合到智能家居系統中提高了智能家居系統的穩定性和可靠性。

【關鍵詞】ZigBee；智能家居；住宅設計

1、智能家居系統發展現狀與趨勢

1.1國外智能家居系統發展現狀

國外的智能家居系統發展速度比我國的發展要早十幾年，各式各樣的家用智能設備已經在歐美市場上普遍出現，不管是出自于小公司Netpliance的iOpener，還是來源于大公司Compaq的iPAQ，這些家用智能設備已經占據了歐美市場。根據不完全可靠數據統計，2001年美國就有1900萬件智能家電被消費，2002年美國智能已高達163億美元。與此同時，2000年新加坡近6000戶家庭使用了智能家居系統，而美國有將近3萬戶家庭使用智能家居系統。迄今為止，國外智能家居系統發展日益成熟，將近有60%的住宅具備智能家居系統功能。德國的EIB系統；新加坡的8X系統；美國的X-10系統都就國外主流人智能家居系統。

1.2國內智能家居系統發展現狀

我國智能家居發展比較緩慢，但是行業結構發展的比較合理。縱觀我國智能家居的發展歷史，主要是由家電類、安防類、網絡通信等廠家發展起來的。當然其中也不乏專門從事智能家居生產的廠家。例如紫蜂、海爾等都是走的國內技術前沿的。

2、智能家居系統的方案設計

2.1本設計模型是在已經建成的住宅里面通過綜合布線實現的。ZigBee 技術是一種雙向無線通信技術，主要具有距離短、能耗低、結構簡單、成本較低等特點，基于ZigBee 技術的這些特點，特別適用與在現代建筑中的智能家居系統中。此智能家居系統整體架構包括外部網絡、內部網絡以及家庭網關三部分。本文的智能家居設計系統框架如圖2-1所示。

圖2-1 智能家居系統的框架

2.2系統設計的軟硬件要求

智能家居系統的硬件要求為：

（1）使用硬件系統更新升級方便；

（2）硬件設計合理，易損件可拆卸更換；

（3）使用的電氣電路簡單，使用芯片個數少。

智能家居系統的軟件要求為：

（1）應用軟件部分是在操作系統之上的用戶程序，能夠滿足用戶的需求；

（2）計算機及其網絡操作系統：操作體統是用戶軟件和硬件的連接器，可方便控制各個系統硬件的運行；

（3）本系統監控軟件保護用戶應用軟件的安全運行。合理的提高了應用軟件的安全性。

3、基于ZigBee技術的智能家居設計與實現

3.1 本系統的硬件采用基于ARM9的開發的嵌入式開放式開發平臺，開發板使用飛凌FL-2430 ARM。FL2430開發板使用核心板+底板設計，性能相當穩定，運行可靠，跟其他開發板比起來，FL2430開發板具有體積小、功耗低、性能高、接口豐富的優勢，這也是此系統采用該平臺進行開發的主要原因。

本系統網關系統結構采用S3C2430主控制器，通過USB接口連接ZigBee無線管理模塊，為ZigBee家庭無線自組網絡系統進行通信，并且實現從外網到內網的無線自組網絡協議的相互轉換。通過此接口也可保證在linux系統下的驅動問題目的是做到即插即用，實現多個模塊可重復使用。

3.2家庭網關硬件平臺及總體方案設計

通過多方面的比對，在本系統的無線模塊設計中，采用三星公司的Arm板S3C2430微型處理器作為核心處理器，微處理器S3C2430采用四線制的SPI方式和CC2430射頻芯片相互通信，其中微控制器采用主模式，射頻收發器采用從模式。

該嵌入式的操作系統采用眾所周知的免費開源的linux操作系統，主要包括以下幾個部分：

（1） 采用32M byte的flash存儲器，可以存儲Bootloader和Linux操作系統以及相應文件系統；采用128M byte的RAM內存，可以更快的運行系統時的程序和數據存儲器；

（2）采用CS8900A模塊，可以提供10Mb/s的以太網連接通信速度。滿足TCP/IP協議進行實時的數據傳輸；

（3）具有多個串行接口，一個串行接口可以和ZigBee無線模塊雙向通信。另一個接口可以作為開發板與PC機連接的方式，開發板在使用前要經過PC機進行連接配置；

3.3節點傳感器設計

本文采用的傳感器是豪恩科技公司的系列產品。

（1）窗磁、門磁傳感器

磁鐵和開關是構成門磁的兩個部件，開關部分包括干簧管等元器件，通過磁鐵同極相斥、異極相吸原理實現輸出端信號的閉合和開路的控制。

（2）紅外對射傳感器

當入侵者進入防范區域并有所動作時，紅外傳感器可以感應到。然后一定會發生紅外輻射變化，進一步使監控報警器產生報警信號，完成入侵者鍵控報警過程。當有異常情況發生時，輸出的是高電平信號。當沒有異常情況時，傳感器輸出的是低電平信號，紅外對射傳感器，也叫主動紅外傳感器，本文使用的LHP-50D型號。電紅外傳感器又叫被動紅外傳感器，本文使用的是LH-902B型號。

（3）可燃氣探測器

本系統采用的探測器型號是LH99，能夠感應30平方米內的泄漏氣體，當泄露達到一定濃度后就會報警，并且發出蜂鳴聲，同時也可將報警信號傳出。

當出現不正常的情況時，上面的集中傳感器都會發出報警信號。圖3-1是傳感器和CC2430模塊的接口電路。通過實例演示其工作原理。例如當門閉合時，門磁傳感器就會發生短路，輸入P2.0的信號就變為相對低電平。在這種情況下，CC2430的無線模塊是處于待機狀態的；當門打開的時候，情況相反，當短路時，信號為高電平，這個時候CC2430就會處于喚醒狀態，借助無線網絡將報警信號傳導網絡協調器。其它的情況和這個基本相同，但為了節省成本，我們可以將不同的傳感器接到同一個CC2430模塊上。

圖3-1 傳感器連接電路

3.4家庭網絡的自組網

ZigBee網絡具有自組織能力，能夠非常方便的自動建立網絡，當網絡狀態發生改變的時候，ZigBee網絡就能夠自動修復，重新建立連接，使網絡正常運行。ZigBee網絡的自動聯網和自動修復都不需要人工干預，實現了自動化組網功能。ZigBee網絡的組建由三個部分組成，首先上電初始化完成基本啟動工作。然后，當網絡減少或增加設備時以及ZigBee網絡拓撲結構發生改變時，系統需要進行更新。另外，ZigBee實現節點終端與網關間的協同管理、自由通信。ZigBee家庭網關是整個系統的總指揮，也就是核心控制單元，是電器設備和控制設備溝通的橋梁，協助系統的運行。ZigBee一旦癱瘓，整個系統的無法正常運轉。因此，ZigBee的自組織能力和自修復能力優勢保證了系統的穩定可靠的運行。

ZigBee系統的組網主要以下幾個方面：

（1） 智能系統上電初始化

（2） 網絡自組網拓撲更新

（3） 各個節點與網關通信

設備啟動建立新網絡是借助NLMME-NET.WORK-FORMATION.request物理語言來完成的，這個網絡設備建立的前提必須是不能接其他網絡，更重要的一點是必須具備ZigBee的協調器功能。當組建網時，網絡層首先要請求MAC層檢測信道容量，這部分需要通過MLME-SCAN.request機器語言，掃描結果將通過MLME-SCAN.confim返回。網絡層并收到掃描結果后進行處理，使用MLME-SET.request選擇合適的信道容量。

3.5 QT開發平臺

由于本文軟件借助QT開發平臺，（QT開發平臺是開源網絡平臺）本文不再詳細說明。基于Qt/Embedded開發的所有應用程序最終都會發布到安裝有嵌入式Linux系統的小型設備上，并測試使用，所以使用Linux操作系統的PC或者工作站來完成Qt/Embedded開發是實際可用，也是最有效的。

4、結束語

本文明確的闡述了基于ZigBee智能家居網絡的研究，最終設計出了一個基于ZigBee無線技術的智能家居演示系統。其設計過程從智能家居系統概念的提出，軟、硬件的選擇應用出發，并通過網絡擴展功能，實現了遠程控制的效果，達到了最初設計的要求，為以后家居系統智能化研究提供了一種思路。但是本文的設計中還存在些許不足，仍需要繼續完善。智能家居系統是未來住宅家居設計的發展趨勢，有很大的發展空間，也為建筑電氣設計者提出了更高的要求。

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